DE102014210346A1

DE102014210346A1 - Verfahren und vorrichtung zur erhöhung der besiedlungsdichte aktiver bakterien und archaeen unter nutzung mehrstufiger selbstregulierender ultraschall-behandlung von flüssigkeiten in biogasfermentern

Info

Publication number: DE102014210346A1
Application number: DE102014210346.0A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: PLANUNGSBUERO ROSSOW GES fur ERNEUERBARE EN MBH; Planungsbuero Rossow Gesellschaft fur erneuerbare Energien mbH
Current assignee: PLANUNGSBUERO ROSSOW GES fur ERNEUERBARE EN MBH; Planungsbuero Rossow Gesellschaft fur erneuerbare Energien mbH
Priority date: 2014-06-02
Filing date: 2014-06-02
Publication date: 2015-12-03
Also published as: WO2015185580A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und die Vorrichtung einer gezielten Einbringung und Kultivierung einer Schwimmschicht zur Erhöhung und Steuerung der Besiedlungsdichte aktiver Bakterien und Archaeen unter Nutzung mehrstufiger selbstregulierender Ultraschall-Behandlung von Flüssigkeiten in Biogasfermentern. Indem in die jeweils energetisch umzusetzenden Gärsubstrate zusätzlich grobfaserige Materialien eingeleitet, hieraus separate Schichten für eine Ansiedlung und Konzentrierung von Bakterien und Archaeen geschaffen und durch die spezifische Anlagenkonfiguration – abhängig von der Fermenterorganik – optimiert werden, beschleunigt sich die Substratumsetzung, und die Schwimmschicht ersetzt physikalische Einrichtungen, welche die Steigerung der Raumbelastung ermöglichen sowie den Austrag von methanbildenden Substraten aus dem quasikontinuierlichen Fermenter weitestgehend mindern. Die Ultraschall-Behandlung dient der Optimierung des Systems in Hinblick auf Faseraufschluss und hydraulische Bedingungen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und die Vorrichtung einer gezielten Einbringung und Kultivierung einer Schwimmschicht zur Erhöhung und Steuerung der Besiedlungsdichte aktiver Bakterien und Archaeen unter Nutzung mehrstufiger selbstregulierender Ultraschall-Behandlung von Flüssigkeiten in Biogasfermentern. Indem in die jeweils energetisch umzusetzenden Gärsubstrate zusätzlich grobfaserige Materialien eingeleitet, hieraus separate Schichten für eine Ansiedlung und Konzentrierung von Bakterien und Archaeen geschaffen und durch die spezifische Anlagenkonfiguration – abhängig von der Fermenterorganik – optimiert werden, beschleunigt sich die Substratumsetzung, und die Schwimmschicht ersetzt physikalische Einrichtungen, welche die Steigerung der Raumbelastung ermöglichen sowie den Austrag von methanbildenden Substraten aus dem quasikontinuierlichen Fermenter weitestgehend mindern. Die Ultraschall-Behandlung dient der Optimierung des Systems in Hinblick auf Faseraufschluss und hydraulische Bedingungen. Der Kern der Erfindung ist die Kombination aus den Merkmalen der europäischen Patentanmeldung EP 2314666 A1 und der bisher unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2013 225 322.2 .
Bekanntlich ist die Konfiguration von Biogasanlagen, darunter der Fermenter, in nicht geringem Maße abhängig von den zum Einsatz gelangenden Substraten. Aus natürlichen, energetischen und betriebswirtschaftlichen Erwägungen geht der Trend zu einer entsprechenden Spezialisierung und der Entwicklung sowie dem Einsatz von spezifischen Hochleistungsreaktoren. Diese zeichnen sich u.a. durch kompakte Bauweise, geringes Volumen, eine höhere Raumbelastung, damit verbunden raschere Substratausbeute und geringere Verweilzeiten aus. Eine schnellere Zuführung neuen bzw. Abführung abgebauten Substrats aber hat zur Folge, dass methanbildende Mikroorganismen partiell mit ausgespült werden, ohne genügend Zeit für die erforderliche ausreichende Reproduktion zu haben. Dies gilt es genauso zu vermeiden wie den vorzeitigen Austrag von methanisierungsfähigen Inhaltsstoffen. Besondere Bedeutung hat dies bei Inputstoffen mit geringem TS-Gehalt (TS = Trockensubstanz) bzw. sehr flüssiger Konsistenz und hoher Abbaurate.
Bisherige Technologien geben Verweilzeiten des Gärsubstrats vor, welche die notwendige mikrobielle Wachstumsrate sicher gestatten.
Ferner ist in der Druckschrift DE 10 2004 054 673 A1 eine Aufkonzentrierung der Biomasse vorgesehen, indem Suspension aus einer Zone des Biorektors mit geringer Feststoffkonzentration entnommen, eine Trennung von Gas und Feststoffen bewirkt und ein Teil der Feststoffe in den Bioreaktor zurückgeführt wird.
Mit der Patentanmeldung DE 198 13 022 A1 ist im Weiteren eine Immobilisierung von Mikroorganismen in Abwasser-Reinigungsanlagen durch Einsatz einer Matrix aus biologisch abbaubarem Biopolymer beschrieben.
Zum Stand der Technik gehört auch die Druckschrift DE 10 2006 035 794 A1 . Gegenstand dieser Druckschrift ist ein Verfahren und eine Biogas-Anlage zur anaeroben Behandlung von zellstoffhaltigen Abfällen. Es wird offenbart, dass Stoffströme aus einer der Stufen mit steuerbarer Menge abziehbar und an einer anderen Stelle des Suspensionsströmungspfades zuführbar sind, wobei die abgezogenen Suspensionsanteile Schwimm- oder Sinkstoffe enthalten können. Eine sich auf oder unterhalb des oberen Substrat-Flüssigkeitsstandes und die gesamte Oberfläche umfassende Schwimmschicht, in der methanbildende Mikroorganismen immobilisiert sind, wird dort nicht offenbart. Stufen meint in DE 10 2006 035 794 A1 die mechanische Aufbereitung, das Lösen in Prozesswasser, die Hygienisierungs-, biologische Aufbereitungs- bzw. Konfektionierstufe, folglich differenzierte Verfahrensstufen an unterschiedlichen Orten. Was In- und Output angeht, wird dort das Substrat dem liegenden Bioreaktor stirnseitig eingespeist und der Austritt von Materialien aus Gefäßen mittels Überläufen bewirkt bzw. werden die Gärprodukte in einem nachfolgenden separaten Behälter durch Sedimentation getrennt. Der Bioreaktor ist mit einer Vielzahl von Umwälz- und Kreislaufanschlüssen und einem Zu- sowie einem Ablauf versehen, die mit einer zentralen Dosierstation verbunden sind, um Durchmischung und Rückmischung zwischen Eintrags- und Austragsseite durchzuführen.
Ein Verfahren zur Biogaserzeugung und einen Gärbehälter dafür wird in der Offenlegungsschrift DE 10 2005 061 039 A1 beschrieben, wobei vergärbare Biomasse bewegt wird, sich eine Schwimmschicht auf der Biomasse bildet und entstehendes Biogas aufgefangen wird, wobei die Schwimmschicht in eine im wesentlichen stetige, laterale Bewegung in einer Richtung entlang des Gärbehälters gebracht wird, wobei am Ende des Gärbehälters die Schwimmschicht aufgelöst wird. Die Schwimmschicht wird gesteuert in eine definierte Bewegung versetzt. Dabei handelt es sich um eine „im wesentlichen stetige, laterale Bewegung entlang des Gärbehälters..., wobei am Ende die Schwimmschicht aufgelöst wird“ Dies wird dadurch bewirkt, dass auf dem oder nahe am Boden ein oder mehrere Strömungskanäle mitsamt Strömungserzeugungsmitteln vorgesehen sind, welche eine „gerichtete Rückströmung zur erforderlichen Strömungsbewegung unterhalb der Schwimmschicht in Richtung der lateralen Bewegung ermöglicht.“ Die Strömungsbahn dreht sich um horizontale und im Wesentlichen senkrecht zur lateralen Bewegungsrichtung orientierte Achsen. Eine Drehbewegung der Schwimmschicht um eine vertikale Achse ist nicht offenbart worden.
In der deutschen Patentanmeldung DE 103 30 727 A1 wird ein Verfahren zur Erhöhung der Biogasausbeute aus organisch hochbelasteten Abwässern und flüssigen biogenen Suspensionen geringen Feststoffanteils durch anaerobe biologische Umsetzung erwähnt, wobei die am Umsetzungsprozess beteiligten Mikroorganismen durch regelmäßig wiederholten Substrat-Stress zu erhöhter Anpassung sowie erhöhter Stoffwechselaktivität gezwungen werden.
Die Ultraschallbehandlung von Flüssigkeiten an Biogasanlagen ist nicht neu und wird von verschiedenen Unternehmen praktiziert.
Biofeststoffe wie beispielsweise Klärschlamm oder Biomasse werden bei der Behandlung mit Ultraschall deutlich besser umgesetzt, wodurch eine Intensivierung des Faulprozesses ohne Zugabe von chemischen Substanzen stattfindet. Die Firma Sonotronic hat ein Verfahren in die Praxis umgesetzt (http://www.sonotronic.de/technologien/ultraschall/ultraschall-behandlung-von-biofeststoffen) und eine Technologie zur Desintegration von Biomasse sowie zur Entkeimung von verschiedenen Medien entwickelt. Die Funktionsweise dieser Technologie lässt sich wie folgt erklären: Ein Teil der Zellen der Biomasse wird vom Ultraschall aufgeschlossen und dabei verflüssigt. Dieses verflüssigte Material ist danach z.B. in den Fermentern einer Biogasanlage von Mikroorganismen besser umsetzbar. Das heißt, die Faulung läuft besser ab, so dass bis zu 50 % mehr Biogas und dementsprechend weniger Restsubstrat als Abfallprodukt entsteht. Weitere positive Effekte sind die Einsparung von Faulturmvolumen und eine verbesserte Entwässerbarkeit der Biomasse.
Die Effekte bei der Behandlung von Biofeststoffen mit Ultraschall treten ein, da der Ultraschall eine periodische Kompression und Dehnung der beschallten Substanz bewirkt. Bei hoher Schallintensität zerreißt die Substanz während der Phase des Unterdrucks. Dies führt zur Bildung von mikroskopisch kleinen Blasen in der Flüssigkeit, die sich mit Wasserdampf oder Gas füllen. In der nachfolgenden Druckphase implodieren die Blasen unter extremen Bedingungen im Mikromaßstab (Kavitation). Bei einem Druck von bis zu 500 bar und einer Temperatur von bis zu 5200 Kelvin entstehen dadurch enorme Scherkräfte, welche die Wände von organischen Zellen, Bakterien, Pilzen usw. aufreißen.
Die eingesetzten Sonotroden haben unterschiedliche Bauformen und sind in kastenförmige Behälter wie bei Sonotronic oder in bzw. an Rohrleitungen angebaut. Um eine Ultraschallbehandlung durchzuführen, bedarf es jedoch noch weiterer Bauteile. Diese werden außerhalb der Behälter und der Prozesse in speziellen Containern und anderen Einhausungen platziert, indem die Sonotrodeneinheit extern von Behältern durch zu- und abführende Rohrleitungssysteme installiert wird, für die heran- und abführenden Volumenströme werden Pumpen und ähnliche Fördereinrichtungen an diese externen Rohrleitungssysteme angeschlossen und zusätzlich werden üblicherweise mechanische Zerkleinerungs- und Abscheideeinrichtungen vor die Pumpen- und Sonotrodenbauteile in den Rohrleitungskreislauf installiert.
Die bisher praktizierten Sonotrodenbauteile sind so konzipiert, dass sie über eine festgelegte Anzahl von Sonotroden in einem Beschallungsbauteil verfügen und die Wirkung der Ultraschallbeschallung nur außerhalb der Beschallungseinrichtung gemessen, ermittelt und gesteuert werden kann. Die bekannten Ultraschallreaktoren werden derzeit mit den ergänzenden Bauteilen wie oben beschrieben, in Containern zusammengebaut und in bestehende oder neue Anlagen zu integrierende Ultraschallbehandlungsanlagen vertrieben.
Es handelt sich dabei in der Regel um kastenförmige Gebilde, die nicht strömungsoptimiert sind und wodurch Verwirbelungen auftreten können. Auch kann eine Verstopfung der Zu- und Abflüsse nicht ausgeschlossen werden.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die technische Lösung der europäischen Patentanmeldung EP 2314666 A1 zu verbessern.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wurde gemäß den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.
Die hier beschriebene Erfindung stellt eine – gegenüber dem Stand der Technik – andere neuartige Lösung dar.
Bekannt aus EP 2314666 A1 ist, dass außer den für die Vergärung vorgesehenen Inputsubstraten grobfaserige schwimmschichtbildende Materialien – bereits durch Zumischen auf dem Pumpweg zum oder separat direkt in den Fermenter – zugegeben werden. Diese Materialien können sowohl natürlichen Ursprungs, wie etwa Stroh, oder industriell gefertigt sein, z.B. Gebilde aus Textil-, Kunststoff- bzw. ähnlichen Fäden oder Netze und Knäuel hieraus. Bevorzugt sind schwimmschichtfähige Stoffe organischen und durchaus im anaeroben Verfahren abbaubaren Ursprungs, da sie dadurch zum Teil positiven Einfluss auf das Fermentermilieu haben und außerdem durch Selbstabbau die Regelung der Schwimmschichtdimensionen, wie räumliche Ausdehnung und Dichte, erleichtern.
Auf Grund der Dichteunterschiede bildet sich auf dem Gärsubstrat eine aus dem grobfaserigen Material bestehende und die gesamte Oberfläche umfassende Schwimmschicht (1) aus. Deren Mächtigkeit wird durch gezielten Eintrag – bei Verwendung von Stroh auf eine Dicke von ca. drei bis etwa 40 Prozent des Fermentervolumens, bei alternativen Schichtmaterialien durchaus auch noch umfangreicher – gestaltet. Durch Entnahme lässt sich diese auch reduzieren. In dieser Schicht werden die für die Methanbildung relevanten Bakterienstämme dem Bedarf angepasst immobilisiert, reproduziert und deren Wirkungsbedingungen optimiert. Dazu wird neu zugeführtes Gärsubstrat von oben oder seitlich über eine Zuführungseinrichtung (2) in die Schwimmschicht eingebracht. Hierdurch bildet diese Schicht im Fermenter eine aktive Zone, in welcher Inputstoff hoher Konzentration, dagegen kaum bereits ausgegorenes Material, agglomeriert und energetisch umgesetzt wird. Abhängig von Menge und Geschwindigkeit zugeführter Substratmasse sowie der Dicke der Faserschicht ist es möglich, dass sich letztgenannte zeitweise oder ständig als ab- oder wieder aufschwebende bzw. in verschiedenen Höhen verharrende Schicht unterhalb des oberen Flüssigkeitsstandes darstellt. Das Verfahren ist sowohl auf mesophile als auch auf thermophile Temperaturbedingungen (über 50 °C) ausgerichtet. Der aufrecht stehende Fermenter wird mit einer entsprechenden Heizung (3) versehen.
Um eine hochgradige biologische Prozesssteuerung zu erwirken, werden mittels spezieller Anordnungen von Vorrichtungen die jeweils aktuellen Verfahrenszustände überwacht und kontrolliert. Dazu werden zum einen Dicke und Lage der Schwimmschicht sowie die Beschaffenheit darunter- und ggf. darüberliegender Substratschichten über Sichtfenster, wie Bullaugen (4) bzw. Sehschlitze in der oberen Fermenterhälfte beobachtet oder bei beabsichtigter Fernüberwachung mittels anderer Messmethoden, z. B. Ultraschall, gemessen. Zum anderen sind für die Bestimmung des Temperaturverhaltens Sensoren vorgesehen, die unter Nutzung der eingearbeiteten, auf die Fermenterhöhe im gleichmäßigen Abstand verteilte Fühlerstutzen (5) differenziert Temperaturen erfassen. Schließlich sind, ebenfalls höhenverteilt, Stutzen für Probeentnahmen für Fermentersubstrat (6) vorhanden. Mittels Schnelltests vor Ort oder über Laboranalysen des in regelmäßigen Zeitabständen aufgenommenen Gärmaterials gestattet dies für unterschiedliche Substratschichtungen charakteristische Aussagen sowohl zum Säurestatus als auch zu den ggf. energetisch umsetzbaren oTS-Restgehalten (oTS = organische Trockensubstanz).
Die ermittelten Parameter bilden die Grundlage für zielgerichtete Reaktionen und Eingriffe in die Fermenterdynamik. Die biologischen Prozesse werden erstens optimiert durch Einsatz eines Pumpsystems variabler Leistung, mit welchem – wahlweise permanent oder quasikontinuierlich – aus den analytisch ermittelten, brauchbaren Schichten unvollständig abgebautes Substrat am jeweils relevanten Abzugsstutzen (7) abgesaugt und durch Einsprühen über einen oder mehrere Spülanschlüsse (8) oberhalb der oder in die Faserschichtschicht erneut eingebracht wird. Diese lässt sich auf diese Weise energetisch zusätzlich anreichern und gleichzeitig in eine horizontale Drehbewegung versetzen. Die Drehung ist gewollt und notwendig, um das gesamte Volumen der Schwimmschicht bzw. oberhalb der Schwimmschicht mit dem neu eingebrachten Gärmaterial bzw. auch dem Rezirkulat zu versetzen.
Zweitens ermöglicht dieses Verfahren optimal zu bestimmen, in welchem Mischungsverhältnis die Komponenten Frischesubstrat und Fasermaterial bzw. reines Gärgut oder Schwimmschichtgut pur dem Fermenter neu zuzuführen ist. Ist das Schwimmschichtmaterial natürlichen Ursprungs, wie z.B. Stroh, wird es über längere Zeit ebenfalls mikrobiell umgesetzt und erhöht in diskretem Umfang die Gasausbeute. Die verbleibenden Fermentationsrückstände werden in der Regel zusammen mit dem abgebauten Substrat als Gärrest abgeführt. Sollte eine Reduzierung der Schwimmschichtdicke notwendig werden, ist dies auch über einen speziellen Abzug (9) realisierbar. Optional kann die Schwimmschicht im Falle einer unerwünschten Verdickung, Verfestigung oder Verfilzung auch mittels Rührwerk (10) aufgelöst werden. Ansonsten kann dieses mit gebotener Vorsicht außerdem genutzt werden, die horizontale Drehbewegung der Schwimmschichten zu unterstützen. Darüber hinaus ist es jedoch ausdrücklich nicht erwünscht, eine Homogenisierung des Fermenterinhalts durch vertikales Durchmischen sämtlicher Inputmaterialien wie im konventionellen Biogasreaktor (Rührkesselfermenter) zu erwirken, dies geht nur bedingt vonstatten. Vielmehr wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung bewusst angestrebt, das Bestehen von Schichtungen auf Grund unterschiedlicher Masse- und Energiedichten des Fermenterinhalts auszunutzen, den Fermentationsprozess in einer Zone hoher biologischer Aktivität zu konzentrieren und hinsichtlich Raumbelastung, Substratabbau und Gasausbeute bestmögliche Resultate zu generieren.
Über den Eintrag einer einzelnen Schwimmschicht und die damit verbundenen Zonenbildung hinaus ist es durch Variationen von Schichtmaterialien differenzierter Dichte oder Nutzung unterschiedlicher Einbringungsorte bzw. -stellen möglich, im Fermenter mehrere Schichten auszubilden, sowohl unmittelbar aneinander grenzend als auch separat in verschiedenen Höhen. Dabei entstehen diverse Reaktionszonen für die Gärprozesse. Diese Zonen – was Milieubedingungen und biochemische Reaktionsabläufe betrifft – gezielt zu überwachen und durch planvolle Beschickung und Entnahme ausgegorenen Materialen bewusst zu beeinflussen, bewirkt eine weitgehende Optimierung der Gesamtprozesse im Hochleistungsreaktor.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Biogasfermenters gegenüber dem Stand der Technik ist die Nutzung von im anaeroben Verfahren abbaubaren schwimmschichtfähigen Stoffen organischen Ursprungs zur Schwimmschichtausbildung, die in eine horizontale Drehbewegung versetzt werden, da sie dadurch positiven Einfluss auf das Fermentermilieu haben, außerdem durch Selbstabbau die Regelung der Schwimmschichtdimensionen erleichtern sowie die Gasausbeute erhöhen. Außerdem werden auf diese Weise physikalische Einrichtungen ersetzt.
Besonders vorteilhaft ist, dass eine Homogenisierung des Fermenterinhalts durch vertikales Durchmischen sämtlicher Inputmaterialien wie in konventionellen Biogasreaktoren nicht vorgesehen ist. Vielmehr wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung bewusst angestrebt, das Bestehen von Schichtungen auf Grund unterschiedlicher Masse- und Energiedichten des Fermenterinhalts auszunutzen, den Fermentationsprozess in einer Zone hoher biologischer Aktivität zu konzentrieren und hinsichtlich Raumbelastung, Substratabbau und Gasausbeute bestmögliche Resultate zu generieren.
Als unerwarteter Vorteil gegenüber EP 2314666 A1 hat sich die Nutzung von Kavitationseffekten einer Ultraschallbehandlung eines Teilstroms und/oder Bypasses des Fermentersubstrates erwiesen. Hierbei bewirkt ein Ultraschall erzeugendes Modul – erfindungsgemäß bestehend aus der/den eigentlichen Schall erzeugenden Sonotrode(n), den zu- und abführenden Substratleitungen sowie mindestens einer drehzalregulierbaren reversiblen Pumpe – einen verbesserten Aufschluss organischer Stoffe und damit einen höheren Methanertrag im Hochleistungsfermenter.
Die regulierbare Beschallung erfolgt durch ein Ultraschall-Modul, das in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2013 225 322.2 ausführlich beschrieben worden ist. Es eignet sich für die Behandlung von beliebigen Flüssigkeiten. In einer speziellen Ausführungsform findet es auch Anwendung in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Hochleistungsfermenter.
Erfindungsgemäß wird ein mehrstufiges selbstregulierendes Ultraschall-Desintegrations-System bereitgestellt, welches nicht zwischen verschiedenen Behältern bzw. nicht extern in einem separaten Behälter installiert ist, sondern kompakt die notwendigen Bauteile und erforderlichen Elemente in einem System zum Direkt-An- oder Einbau am Hochleistungsfermenter vereint, ohne eine separate Gebäude- oder Containerplatzierung zu benötigen.
Das Ultraschall-Modul umfasst folgende Elemente:

– System aus Rohrleitungen, die in Teilbereichen auch quadratisch oder rechteckig sein können
– Rohrleitungselemente, Rohrleitungsabsperrelemente, Messeinrichtungen
– Prüfstutzen mit Einrichtungen zum Prüfen, Messen und Rückspülen
– Sonotroden und integrierte Reflektoren, Flüssigkeitsförder- und Rückspüleinrichtung
– Halterungen und Durchführ- bzw. Anschlusseinrichtungen
– mindestens eine reversible Pumpe mit Drehzahlregulierung

Das Ultraschall-Modul fördert das zu desintegrierende Medium aus dem Hochleistungsfermenter über rohrleitungsartige Elemente mit einer integrierten Fördereinrichtung. Es ist am oder im Hochleistungsfermenter montiert. Die Flüssigkeit wird über Absperrorgane, Rohrleitungselemente, Volumenstrom-Messeinrichtungen und Einrichtungen zur Aufnahme von Sensoren und Messwertaufnehmern sowie die Fördereinrichtung in vorzugsweise senkrechter Anströmung zentrisch auf in Rohrleitungen integrierte Sonotroden gefördert.
Die Sonotroden können optional mit passenden Reflektoren gekoppelt werden, welche sich in geeignetem Abstand im Medienstrom befinden.
Das System ist so gestaltet, dass das zu desintegrierende Medium aus dem Hochleistungsfermenter zu den Desintegrationssonotroden gefördert wird.
Die Anströmung erfolgt ein- oder mehrstufig. Zwischen den Stufen der Desintegration können über integrierte Mess-Stutzen und Messaufnehmer die Effekte der einzelnen Desintegrationsschritte ermittelt werden. Dazu können die Viskosität und/oder die Temperatur sowie elektrische Leistungsaufnahme der Sonotroden und der Fördereinrichtung gemessen werden. In Abhängigkeit der Mess- bzw. Auswertungsergebnisse kann das System weitere Stufen über die Fördereinrichtung (vorzugsweise eine Pumpe) aktivieren. Dadurch ist es möglich, die Intensität zu erhöhen (geringere Strömungsgeschwindigkeit), die Intensität zu verringern oder eine Rückspülung zu veranlassen.
Der Druck im Medium kann ebenfalls variiert werden, um die Effizienz der Kavitation zu optimieren. Mittels integrierter Drucksensoren und der weiteren o.g. Mess- und Auswertungsergebnisse wird das Druckregime kontrollier- und steuerbar.
Die Stufigkeit und die Anzahl der Sonotroden kann der Menge und der Intensität der Desintegration angepasst werden. Die integrierte Fördereinrichtung oder Einrichtungen können eine gegenläufige Förderstromrichtung ausüben, um z.B. Rückspülungen durchzuführen. Im Bedarfsfall kann sich die Fördereinrichtung der Förderleistung den Bedürfnissen/Erfordernissen anpassen (z.B. Drehzahlregelung).
Die Ansaug- und Ausspülöffnungen werden vor gegenseitiger Beeinflussung durch strömungsleitende Einrichtungen bzw. systemräumliche Anordnung abgesichert.
Das System ist in der Lage, durch eine Systemsteuerung auf Basis der Kommunikation zwischen den Stell- und Schließelementen, der Fördereinrichtung, den Messelementen und den damit verbundenen Auswertungselementen, der Volumenmesseinrichtung und der Kommunikation mit einer eventuell vorhandenen untergeordneten Steuerung oder der eigenen Steuerung die Effekte und die Funktion zu erhöhen.
Es ist sogar möglich, diese Anlage – mit Ausnahme der Fördereinrichtung – innerhalb des Flüssigkeitsbehälters zu installieren. Alle o.g. Bauteile und erforderlichen Elemente sind in einem System zum Direkt-An-bzw. Einbau am Hochleistungsfermenter vereint, es ist keine separate Gebäude- oder Containerplatzierung notwendig.
Durch seine Gestaltung ist dieses Ultraschall-Modul durch die integrierte Steuerung in der Lage, die Wirkung der Beschallung direkt zu messen, die Intensität durch Volumenstromregelung und/oder die Strömungsrichtungsänderung (unterschiedliche Passage der zu behandelnden Flüssigkeit über unterschiedliche Anzahl von Sonotroden) zu verändern und dem Bedarf anzupassen.
Auch die Selbstreinigung des Systems ist durch die Umkehr bzw. Änderung der Fließrichtung und die Möglichkeit der Volumenstromerhöhung wie der Fließgeschwindigkeitserhöhung im Verhältnis 1:10 möglich und kann regelmäßig prophylaktisch in das Beschallungsprogramm eingefügt werden.
Das System ist mit handelsüblichen Sonotroden für Inrohr- oder Anrohrinstallation (also sowohl Sonotroden direkt im Volumenstrom der zu behandelnden Flüssigkeit als auch an der Rohraußenwand oder in die Rohraußenwand integriert) ausrüstbar.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäße Wellenform der Rohrführung des Ultraschallsystems einerseits der hydraulischen Optimierung des Systems dient und andererseits eine kompakte Bauform unter Beachtung des Platzbedarfes für alle zu integrierenden Bauteile gewährleistet. Durch Variation der Anzahl der „Wellen“ kann das System eine unterschiedliche Anzahl von Sonotroden bzw. Beschallungsbereiche beinhalten und somit für unterschiedliche Beschallungsleistungen ausgelegt und gebaut werden.
Das System kann an- bzw. im Hochleistungsfermenter installiert werden, auch als Bypass-oder als Inline-System.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kombination des Hochleistungsfermenters mit dem Ultraschall-Modul liegen u.a. darin, dass die Investitionskosten für ein Ultraschall- Modul um ca. 50% gesenkt werden gegenüber derzeit etwa Kosten in Höhe von ca. 200 T€. Darüber hinaus werden durch dieses System die Betriebskosten ebenso erheblich gesenkt, da die direkte Anbindung an den Hochleistungsfermenter die Förderwege um ein Vielfaches verringert und außerdem strömungsgünstig und verstopfungssicher installiert werden können.
Das Ultraschall-Modul braucht darüber hinaus keine gebäudeähnliche Umhüllung, sondern es reichen die für Rohrleitungsinstallationen üblichen Maßnahmen für Isolierung und Witterungsschutz.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der 1 bis 4 näher erläutert werden, ohne die Erfindung auf diese speziellen Beispiele zu beschränken.
1 zeigt einen Hochleistungsfermenter gemäß der EP 2314666 A1 .
2 zeigt einen Hochleistungsfermenter gemäß der EP 2314666 A1 und dem integrierten Ultraschall-Moduls (12).
Die 3 zeigt eine Draufsicht des Ultraschall-Moduls (12). In diesem Beispiel ist das Ultraschall-Modul an der Außenseite der Behälterwand befestigt. Es ist zu erkennen, dass die Ultraschallbehandlung direkt in der Substratleitung erfolgt – also kein Extra-Behälter notwendig ist. Ebenfalls zu erkennen ist die Pumpe (Fördereinrichtung).
In 4 ist auch das Ultraschall-Modul (12) dargestellt. Es ist zu erkennen, dass bei Bedarf eine zweite Stufe zur Ultraschallbehandlung zugeschaltet werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Schwimmschicht
2: Zuführungseinrichtung
3: Heizung
4: Bullaugen
5: Fühlerstutzen
6: Probenahmestutzen
7: Abzugsstutzen mit Schieber
8: Spülanschlüsse
9: Abzug
10: Rührwerk
11: Pumpe
12: Ultraschallmodul mit Pumpe
13: Fermentersubstrat
14: Substratleitung
15: reversible Pumpe mit Drehzahlregulierung
16: Sonotrode
17: Mess- und Spülstutzen
18: Stütze
19: Schieber
20: Behälterwand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2314666 A1 [0001, 0015, 0018, 0026, 0047, 0048]
DE 102013225322 [0001, 0027]
DE 102004054673 A1 [0004]
DE 19813022 A1 [0005]
DE 102006035794 A1 [0006, 0006]
DE 102005061039 A1 [0007]
DE 10330727 A1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.sonotronic.de/technologien/ultraschall/ultraschall-behandlung-von-biofeststoffen [0010]

Claims

Kombination aus einem Biogasfermenter und einem mehrstufigen selbstregulierenden Ultraschall-Desintegrations-System (12) für flüssige Medien, wobei der Biogasfermenter a) eine Zuführungseinrichtung (2) zur Einbringung von Gärsubstrat in die Schwimmschicht (1) und b) Sichtfenster(4), vorzugsweise Bullaugen oder Sehschlitze, in der oberen Fermenterhälfte und c) Sensoren zur Fernüberwachung in der oberen Fermenterhälfte und d) Fühlerstutzen (5) und/oder Stutzen für Probeentnahmen (6) von Fermentersubstrat und e) auf die Fermenterhülle verteilte Abzugsstutzen (7) zur Entnahme unvollständig abgebautem Substrats aus dafür geeigneten Schichten und f) Spülanschlüsse (8) oberhalb der oder in der Schwimmschicht (1) enthalten sind, um das aus brauchbaren Schichten entnommene, unvollständig abgebaute Material erneut in den Fermentationskreislauf einzubringen und g) Abzüge (9) und/oder Rührwerke (10) in ein- oder mehrfacher Ausfertigung enthält, um die Schwimmschicht hinsichtlich ihrer Dimension zu reduzieren oder um diese aufzulösen umfasst und das Ultraschall-Desintegrations-System (12) h) mindestens eine Substratleitung (14) i) mindestens eine Fördereinrichtung (15) j) ein oder mehrere Sonotroden (16) k) Einrichtungen zum Prüfen oder Messen von Parametern der Flüssigkeit (17), l) Einrichtungen zum Anschluss an einen Behälter (18) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sonotroden (16) innerhalb der Substratleitung (14) oder an der Außenseite der Substratleitung (14) befinden.
Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrstufiges selbstregulierendes Ultraschall-Desintegrations-System (12) zusätzlich Rohrleitungselemente, Rohrleitungsabsperrelemente oder Rückspüleinrichtungen aufweist.
Kombination nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratleitungen (14) und/oder Rohrleitungselemente rund quadratisch oder rechteckig aufgebaut sind.
Kombination nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratleitungen (14) und/oder Rohrleitungselemente wellenförmig angeordnet sind.
Kombination nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Sonotroden (16) noch Reflektoren vorhanden sein können.
Kombination nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Fördereinrichtung (15) eine reversible Pumpe mit Drehzahlregulierung dient.
Kombination nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuerungseinheit enthält, die anhand gemessener Parameter die Pumpe steuert.
Verfahren zur Erhöhung der Besiedlungsdichte aktiver Bakterien und Archaeen unter Nutzung einer mehrstufigen selbstregulierenden Ultraschall-Behandlung von Flüssigkeiten in Biogasfermentern mittels der Kombination nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass a) durch das Einbringen von grobfaserigem Material, welches eine geringere Dichte als die Flüssigkeit mit dem Substrat aufweist, eine die gesamte Oberfläche umfassende Schwimmschicht (1) auf oder unterhalb des oberen Substrat- Flüssigkeitsstandes des Biogasfermenters ausgebildet wird, in der methanbildende Mikroorganismen immobilisiert sind b) die Ultraschall-Behandlung innerhalb der Substratleitung (14) erfolgt und c) die Messung der Parameter der Flüssigkeit innerhalb der Substratleitung (14) an Mess-Stutzen (17) erfolgt und d) anhand der gemessenen Parameter die Steuerung der Pumpe (15) erfolgt, wobei die Intensität erhöht oder verringert wird oder eine Rückspülung veranlasst wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmschicht (1) in eine horizontale Drehbewegung versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmschicht (1) mittels der Spülanschlüsse (8) in eine horizontale Drehbewegung versetzt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmschicht (1) aus Textil-, Kunststoff- bzw. ähnlichen Fäden, Netzen und Knäueln hieraus oder aus organischem Material besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmschicht (1) aus im anaeroben Verfahren abbaubarem Material, vorzugsweise Stroh, besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke und Lage der Schwimmschicht (1) sowie die Beschaffenheit darunter- und/oder darüberliegender Substratschichten optisch oder instrumentell überwacht wird und daraus bestimmt wird, in welchem Mischungsverhältnis die Komponenten Frischesubstrat und Fasermaterial bzw. reines Gärgut oder Schwimmschichtgut dem Fermenter neu und/oder rezirkulierend zuzuführen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variationen von Schichtmaterialien differenzierter Dichte oder Nutzung unterschiedlicher Einbringungsorte bzw. -stellen im Fermenter mehrere Schichten – sowohl unmittelbar aneinander grenzend als auch separat in verschiedenen Höhen – ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation des Drucks im Medium die Effizienz der Ultraschall-Kavitation optimiert werden kann, wobei mittels integrierter Drucksensoren und an sich bekannter Mess- und Auswertungscharakteristik das Druckregime kontrollier- und steuerbar wird.
Verwendung der Kombination nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Biogaserzeugung sowohl bei mesophilen als auch bei thermophilen (über 50 °C) Temperaturbedingungen.