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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Messung der Biogasproduktion unter anaeroben
Bedingungen, insbesondere zur Bestimmung der Menge von erzeugtem
Biogas, welches durch den Abbau von organischen Bestandteilen in einer
vorgegebenen Probe erzeugt wird.
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Um den biologischen Abbauvorgang
von organischem Material zu verfolgen, wird die produzierte Menge
an Biogas erfasst. Unter Biogas versteht man dabei die Summe der
verschiedenen Gase, die aus dem Abbau von Kohlehydraten, Proteinen
und Fetten entstehen.
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Bisher wurde zur Erfassung der Biogasproduktion
unter anaeroben Bedingungen das Ansteigen des Druckes in einem Druckraum,
in welchen das erzeugte Biogas eingeleitet wird, als Indikator für die produzierte
Biogasmenge herangezogen. Über Umrechnungsfaktoren
kann man aus dem Druckanstieg das Gasvolumen beziehungsweise die
Gasmasse des erzeugten Biogases errechnen. Dabei wird die Annahme
zugrundegelegt, dass der Druck eines Gases eine lineare Funktion
seiner Masse beziehungsweise seines Volumens ist. Diese Annahme ist
eine Näherung
und kann nur so lange akzeptable Ergebnisse liefern, wie der gemessene
Druckunterschied sehr klein gegenüber dem Standarddruck ist. Aus
diesem Grund ist ein häufiges
Entspannen der Systeme, welche bisher zur Biogasproduktionserfassung
herangezogen werden, notwendig. Zudem ist die Messung aufgrund der
Näherungsformel
ungenau und eine Automatisierung des Messverfahrens äußerst aufwendig,
so dass man die Messung bisher in der Regel durch manuelle Betätigung ausgeführt hat.
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Ein etwas größerer Automatisierungsgrad
ist bei der Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfs bei Oxidationsvorgängen bekannt.
Beispielsweise sei auf die Patentschriften
DE 196 18 294 C2 und
DE 196 18 305 C1 verwiesen.
Bei den in diesen Patentschriften vorgestellten Vorrichtungen wird zur Sauerstoffproduktion
bei Oxidationsprozessen druckabhängig
Sauerstoff über
elektrische Wirkverbindungen zur Kompensation eines in dem System auftretenden
Unterdruckes zugeführt.
Der in einem Reaktor erzeugte Unterdruck wird auf ein Manometer weitergeleitet,
in welchem mittels des Unterdruckes eine Flüssigkeit in einer Kapillare
hochgezogen wird, welche einen elektrischen Kontakt zur Aktivierung
einer Elektrolysevorrichtung herstellt. In der Elektrolysevorrichtung
wird Sauerstoff erzeugt, der einerseits dem Reaktionsraum zugeführt wird
und andererseits zum Ausgleichen des Unterdruckes herangezogen wird.
Dabei wird die erzeugte Sauerstoffmenge festgestellt und daraus
auf den aeroben Abbau der Chemikalien geschlossen. Dieses System
ist jedoch nicht zur Messung der Biogasproduktion unter anaeroben Bedingungen
geeignet, da der Sauerstoff notwendigerweise mit der Probe in Kontakt
tritt. Zudem ist der Aufbau der Vorrichtung relativ kompliziert
und störanfällig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der unter anaeroben Bedingungen
erzeugten Menge von Biogas darzustellen, welches gegenüber dem
Stand der Technik verbessert ist, eine besonders hohe Messgenauigkeit
ermöglicht
und weitgehend automatisiert ausgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
beschreiben besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen der
unter anaeroben Bedingungen erzeugten Menge von Biogas umfasst die
Verfahrensschritte des Isolierens einer durch Abbau von organischen Bestandteilen
biogaserzeugenden Probe in einem Reaktionsraum gegen von außen eintretenden
Sauerstoff. Diese Isolation ist notwendig, um die anaeroben Bedingungen
zu gewährleisten.
Zudem umfasst das Verfahren den Schritt des Übertragens des durch die Biogaserzeugung
im Reaktionsraum entstandenen Überdruckes
in einen ersten Druckraum eines Druckmanometers, wobei das Druckmanometer
eine Schaltfunktion aufweist, die nachgehend noch näher beschrieben
wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst
den Schritt des Aktivierens einer elektrolytischen Zelle zur Produktion
eines Ausgleichgases mittels der elektrolytischen Zelle in Abhängigkeit
des auf den ersten Druckraum des Druckmanometers übertragenen Überdruckes.
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Weiterhin umfasst das Verfahren das
Einleiten des in der elektrolytischen Zelle produzierten Ausgleichgases,
das heißt
insbesondere mindestens eines vorgegebenen Anteils des produzierten
Ausgleichgases, in einen zweiten Druckraum des Druckmanometers,
wobei der zweite Druckraum druckübertragend
mit dem ersten Druckraum gekoppelt ist und gleichzeitig der erste
und der zweite Druckraum gasdicht gegeneinander abgeschlossen sind.
Das Einleiten des Ausgleichgases in den zweiten Druckraum erfolgt
derart, dass ein Druckanstieg in dem zweiten Druckraum stattfindet,
und zwar so lange, bis zumindest weitgehend ein Druckausgleich zwischen dem
ersten und dem zweiten Druckraum eingetreten ist. Die Menge des
bis zum Druckausgleich produzierten beziehungsweise in den zweiten
Druckraum eingeleiteten Ausgleichgases wird erfindungsgemäß erfasst
und/oder berechnet. Abschließend
umfasst das erfindungsgemäße Verfahren
das Ermitteln der erzeugten Biogasmenge aus der in dem Reaktionsraum
isolierten Probenmenge und der Menge des produzierten Ausgleichgases
beziehungsweise der Menge des in den zweiten Druckraum eingeleiteten Ausgleichgases.
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In einer Weiterbildung umfasst das
erfindungsgemäße Verfahren
den zusätzlichen
Schritt des automatischen Öffnens
des ersten und zweiten Druckraumes, insbesondere gegenüber der
Umgebung, nachdem der Druckausgleich zwischen dem ersten und dem
zweiten Druckraum stattgefunden hat, so dass der Überdruck
in den beiden Druckräumen
abgebaut wird. Durch diese automatische Entspannung des Systems
nach jedem Messvorgang, insbesondere über mit den Druckräumen leitend
verbundene Auslassventile, ist eine kontinuierliche Messung der
Biogasproduktion besonders leicht möglich.
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Die produzierte Menge des Ausgleichgases kann
vorteilhaft anhand der Stromdauer und der Stromstärke, welche
der elektrolytischen Zelle zur Produktion des Ausgleichgases zugeführt wird,
berechnet werden. Die Steuerung der elektrolytischen Zelle, die
Ermittlung der erzeugten Biogasmenge und die Berechnung der produzierten
Ausgleichgasmenge kann vorteilhaft durch ein Steuergerät erfolgen,
an den ein Computer angeschlossen sein kann, oder insbesondere direkt
durch einen Computer.
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Eine kontinuierliche Messung der
Biogasproduktion ist durch das zyklische Wiederholen der Schritte,
welche zum Druckaufbau in dem ersten und dem zweiten Druckraum des
Druckmanometers führen
und des Erfassens und/oder Berechnens der produzierten Ausgleichgasmenge
möglich,
wobei nach der Messung das Entspannen der Druckräume erfolgt. Als Ausgleichgas
hat sich insbesondere Sauerstoff als geeignet herausgestellt, welcher
nach den bekannten Prinzipien einer Elektrolyse produziert wird.
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Aus der gemessenen Biogasproduktion
kann eine Abbaukurve der arganischen Bestandteile der im Reaktionsraum
eingeschlossenen Probe ermittelt werden und vorteilhaft mittels
des Computers dargestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen der
unter anaeroben Bedingungen erzeugten Menge von Biogas umfasst einen
Bioreaktor mit einem Reaktionsraum, der gegen von außen eintretenden
Sauerstoff abgedichtet ist. In diesem Bioreaktor kann die Probe
mit den organischen Bestandteilen eingebracht werden.
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Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
ein Druckmanometer, das eine Schaltfunktion aufweist, welches druckleitend
mit dem Reaktionsraum des Bioreaktors verschaltet ist und eine elektrolytische
Zelle, die wiederum druckleitend mit dem Druckmanometer verschaltet
beziehungsweise verbunden ist.
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Das Druckmanometer weist einen ersten Druckraum
auf, der druck- und gasleitend mit dem Reaktionsraum des Bioreaktors
verbunden ist, in welchen die Probe eingebracht werden kann. Das Druckmanometer
weist weiterhin einen zweiten Druckraum auf, der druck- und gasleitend
mit dem Raum der elektrolytischen Zelle verbunden ist, in welchem
das Ausgleichgas erzeugt wird.
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Der erste und der zweite Druckraum
des Druckmanometers sind druckübertragend
miteinander verbunden und gleichzeitig gasdicht gegeneinander abgedichtet.
Die elektrolytische Zelle ist derart ansteuerbar, dass sie in Abhängigkeit
des Druckes im ersten Druckraum ein Ausgleichgas produziert, welches
dann in den zweiten Druckraum eingeleitet wird.
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In einer besonders vorteilhaften
Ausführung sind
in das Druckmanometer zwei Sperrflüssigkeiten eingebracht. Das
Druckmanometer umfasst einen ersten Eingang, durch welchen das erzeugte
Biogas in den ersten Druckraum geleitet werden kann. Dabei ist die
erste Sperrflüssigkeit
derart vorgesehen, dass das Biogas aus dem Reaktionsraum in den
ersten Druckraum strömen
kann, aber durch die erste Sperrflüssigkeit an einer Rückströmung gehindert
wird.
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Das Druckmanometer weist in dieser
vorteilhaften Ausführung
einen zweiten Eingang auf, durch den das in der elektrolytischen
Zelle produzierte Ausgleichgas in den zweiten Druckraum eingeleitet
werden kann. Der erste Druckraum und der zweite Druckraum sind durch
die zweite Sperrflüssigkeit voneinander
getrennt, welche einerseits eine Druckübertragung zwischen den Druckräumen zulässt und andererseits
eine gasdichte Abtrennung der Druckräume gegeneinander herstellt.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung beziehungsweise
das erfindungsgemäße Verfahren kann
eine automatisierte Messung der erzeugten Menge von Biogas beziehungsweise
die Darstellung einer Abbaukurve von organischem Material besonders
leicht zur Verfügung
gestellt werden. Das System kann nach einer beliebigen Anzahl von
Messungen zu einem beliebigen Zeitpunkt entspannt werden, so dass
negative Beeinflussungen eines zu großen Druckaufbaues oder eines
zu lang anhaltenden Druckaufbaues im System auf die zu verfolgende chemische
Reaktion ausgeschlossen werden kann. Die Empfindlichkeit der Messung
liegt im Microbarbereich, im Gegensatz zu herkömmlichen Messungen, welche
eine Empfindlichkeit im Millibarbereich aufweisen. Durch die Möglichkeit
des häufigen
Entspannens werden Leckageprobleme minimiert.
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Durch den Verzicht auf die oben erwähnte Linearitätsannahme
zwischen Druck und Masse kann eine besonders hohe Messgenauigkeit
erzielt werden. Bisherige Systeme, die die genannte Linearitätsannahme
heranzogen, zeigten zu keinem Zeitpunkt eine 100%-ige anaerobe Abbaurate,
aufgrund der zugrundeliegenden ungenauen Annahme. Durch die Erfindung
können
auch 100%-ige anaerobe Abbauraten nachgewiesen werden, da allenfalls
das ideale Gasgesetz zugrundegelegt wird, und die erzeugte Biogasmenge
aus dem Verhältnis
eines hinzukommenden Volumens zu einem gegebenen Anfangsvolumen
ermittelt wird.
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Das erfindungsgemäße System kann jederzeit gegenüber der
Umgebung entspannt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass Sauerstoff
in den Reaktionsraum eintritt.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Systems
ist die leichte Kalibrierbarkeit. Dabei kann eine Kalibrierung gegen
Masse, gegen Druck und/oder gegen Volumen stattfinden. Beispielsweise kann
als Simulation einer Erzeugung von Biogas eine vorgegebene Menge
an Gasvolumen in den ersten Druckraum des Druckmanometers eingeleitet
werden und die daraus resultierende Ausgleichgasproduktion festgestellt
werden. Da die eingeleitete Gasmenge bekannt ist und die Ausgieichgasproduktion ermittelt
wird, kann das System somit kalibriert werden. Das Gleiche ist möglich, indem
nicht ein vorgegebenes Volumen, wie zum Beispiel 10 Milliliter Gas, in
den ersten Druckraum eingeleitet wird, sondern eine vorgegebene
Gasmasse oder eine vorgegebene Molzahl. Zudem ist das Anlegen eines
vorgegebenen Druckes am ersten Druckraum möglich. Auf diese Art und Weise
ist das Kalibrieren mit verschiedenen gewünschten thermodynamischen Größen möglich.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand
eines besonders vorteilhaften Ausführungsbeispieles näher beschrieben
werden. Es zeigen:
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1 eine
Vorrichtung mit einem Bioreaktor, einem Druckmanometer und einer
elektrolytischen Zelle in einer schematischen Darstellung;
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2 eine
detailliertere Ausführung
der 1 mit einem zusätzlich dargestellten
Steuergerät und
einem Computer;
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3 in
einer Vorderansicht und einer Seitenansicht den Bioreaktor aus 2;
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4 die
elektrolytische Zelle aus 2;
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5 in
einer Vorderansicht und zwei Schnittansichten das Druckmanometer
aus 2;
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6 eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines Bioreaktors einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die in 1 dargestellte
Messeinheit umfasst ein Reaktionsgefäß, den Bioreaktor 1,
eine elektrolytische Zelle 2 und ein Druckmanometer 3.
An das Druckmanometer 3 sind zwei Auslassventile 4 und 5 angeschlossen.
Bioreaktor 1, elektrolytische Zelle 2 und Druckmanometer
sind mittels Schläuchen 6 miteinander
verbunden.
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Die zu untersuchende Probe wird in
den Bioreaktor 1 eingebracht. Die Probe wird dort vorteilhaft durch
beispielsweise einen Magnetrührer
umgewälzt,
um das entstandene Gas aus der Lösung
auszutreiben. Um eine Schädigung
der anaeroben Biozenöse
durch Scherkräfte
weitgehend zu vermeiden, kann die Rührung in einer freiwählbaren
Zeitfrequenz, beispielsweise zwischen 2 Minuten und 8 Stunden, eingeschaltet
werden.
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Die Stoffwechselvorgänge der
Mikroorganismen bewirken den Abbau der organischen Bestandteile
der Probe, wobei das Biogas produziert wird. Dieses setzt sich je
nach Beschaffenheit der abzubauenden Stoffe aus Kohlenstoftdioxid,
Methan, Schwefelwasserstoft, Ammoniak etc. zusammen. Der dabei im
Bioreaktor 1 entstandene Überdruck wird in das Manometer 3 geleitet,
und zwar in den ersten Druckraum 8. Der erste Druckraum 8 ist
mit einem zweiten Druckraum 9 im Druckmanometer 3 mittels
eines druckübertragenden,
gasdichten Mittels 7 verschaltet. Der Druck im ersten Druckraum 8 wird erfasst
und in Abhängigkeit
dieses Druckes die elektrolytische Zelle 2 aktiviert. Diese
produziert nun so lange Sauerstoff, der in den zweiten Druckraum 9 über den
Schlauch 6 eingeleitet wird, bis im System ein Druckausgleich
erreicht ist. Anschließend
werden die Auslassventile 4 und 5 geöffnet, und
das Biogas sowie der zum Druckausgleich produzierte Sauerstoff nach
außen,
das heißt
beispielsweise in die Umgebung geleitet. Das Öffnen der Auslassventile 4 und 5 bewirkt
erneut einen Druckausgleich auf Atmosphärendruck und das System ist
erneut messbereit.
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Aus Probenmenge im Bioreaktor 1,
Stromdauer und Stromstärke,
welche der elektrolytischen Zelle 2 zugeführt wurden,
kann die erzeugte Biogasmenge ermittelt werden, die je nach Kalibrierung
in Masseeinheiten (Mole), Volumeneinheiten (L) oder Druckeinheiten
(bar) ausgegeben beziehungsweise dargestellt werden kann. Durch
beispielsweise eine Kopplung der Messeinheit an einen Rechner ist
eine kontinuierliche Erfassung der produzierten Biogasmenge und
die Aufzeichnung einer Abbaukurve möglich.
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Wie man aus der 1 leicht erkennen kann, arbeitet die
Messeinheit nach dem Prinzip einer Balkenwaage. Der Inhalt, das
heißt
in diesem Fall der Druck, zweier Waagenschalen wird gegeneinander
ausgeglichen, und da die Bezugsgröße einer Waagenschale bekannt
ist, kann dadurch auf den Inhalt beziehungsweise Parameter der anderen
Waagenschale geschlossen werden. Dabei wird wirkungsvoll verhindert,
dass der Inhalt beider Waagenschalen in irgendeiner Form miteinander
vermischt wird oder miteinander reagiert. Herkömmliche Systeme konnten demgegenüber eher
mit dem Prinzip einer Druck- oder Federwaage verglichen werden,
da hier die zur Messung herangezogenen Stoffe stets auch eine Reaktion
mit dem Reaktionsrauminhalt zur Folge hatten.
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In 2 ist
die Messeinheit aus 1 nochmals
in größerem Detail
dargestellt. In der in 2 dargestellten
vorteilhaften Ausführung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind zudem das an die Messeinheit angeschlossene Steuergerät 10 und
der mit dem Steuergerät 10 verschaltete
Computer 11 dargestellt. Das Steuergerät 10 ist wiederum
mittels Signalleitungen 12 mit dem Druckmanometer 3 über elektrische
Anschlüsse 13 und
mit der elektrolytischen Zelle 2, ebenfalls über einen
elektrischen Anschluss 13 verbunden.
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Die elektrischen Anschlüsse 13 sind
vorteilhaft wasserdicht isoliert. Somit ist es möglich, die gesamte Messeinheit,
umfassend Bioreaktor 1, elektrolytische Zelle 2,
Druckmanometer 3 und die mediumführenden Schläuche 6 in
einem Wasserbad derart anzuordnen, dass alle Räume und Leitungen, welche durch
Reaktionsgas oder Ausgleichsgas durchströmt beziehungsweise mit diesem
befüllt
sind, sich unterhalb der Wasseroberfläche befinden. Somit kann ein vorgegebenes
Temperaturniveau durch Einstellen der Wassertemperatur mit hoher
Genauigkeit konstant gehalten werden, so dass unerwünschte Temperatureinflüsse auf
die Reaktion beziehungsweise die Messung vermieden werden.
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Das Steuergerät 10 ist vorteilhaft
mit verschiedenen digitalen Taktgebern ausgerüstet, die die Erfassung der
Messwerte, die Regulierung des Elektrolysestromes und die Öffnung der
Auslassventile 4 und 5 überwachen. Die Datenausgabe
kann im „one way"-Modus erfolgen,
so dass keine Messwertmanipulation von außen möglich ist. Bei Vorsehen von mehreren
elektrolytischen Zellen ist jede Zelle vorteilhaft getrennt schaltbar
und weist einen eigenen Zähler
auf. Die erfassten Messdaten können,
wenn gewünscht,
zwischengespeichert werden, und über eine
serielle Schnittstelle an den Computer 11 übertragen
werden.
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In ein- und demselben Wasserbad können vorteilhaft
mehrere Messeinheiten angeordnet werden, welche beispielsweise durch
ein gemeinsames Steuergerät
gesteuert werden. Voreilhaft ist ein Heiz- und Kühlsystem vorgesehen, welches
eine Temperaturkonstanz des Wasserbades von bis zu 0,02 Grad Celsius
zur Verfügung
stellt. Beispielsweise kann der Temperaturbereich zwischen 5 und
50 Grad Celsius eingestellt werden und in dem Wasserbad ein Rührwerksystem
für die
verschiedenen Messeinheiten vorgesehen werden, welches eine frei
wählbare Rührfrequenz
aufweist.
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Mittels einer Auswertesoftware, welche
auf dem Computer 11 installiert ist, können die Steuersignale des
Steuergerätes 10 ausgewertet
werden und beispielsweise eine beziehungsweise mehrere Abbaukurven
erstellt werden. Die Auswertung gestattet die Bildung von Normalwerten,
Differenzwerten, Mittelwerten, Standardabweichungen, OECD-Protokollen
sowie die Errechnung von Hemmwerten. Die Messdaten können als
Graphik oder in Tabellenform ausgegeben werden, als Dateien abgelegt
werden oder beispielsweise auf einem angeschlossenen Drucker ausgedruckt
werden.
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Alle Schlauchverbindungen der einzelnen Elemente
sind vorteilhaft mit zwei O-Ringen
versehen und ermöglichen
so ein besonders dichtes Abschließen gegenüber der Umgebung, so dass keine Leckage
auftritt. Vorteilhaft sind die Schlauchverbindungen derart ausgeführt, dass
durch Schraubbewegungen sowohl das Anbringen als auch das Ablösen der
Schläuche
besonders leicht erfolgen kann. Somit können auch bei starken Unterdrücken die
Schläuche 6 ohne
zusätzliches
Werkzeug demontiert werden, indem die Hebelbewegung der Schraube
sowohl für
das Zu- als auch für
das Aufschrauben genutzt wird, wodurch die Handhabung entscheidend erleichtert
wird, da ein Festsaugen von Schläuchen beziehungsveise
deren Dichtungen, wie bisher bekannt, leicht überwunden wird.
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Um eine besonders hohe Dichtheit
des Systems zu erreichen, sind besonders vorteilhaft alle Dichtungen
mindestens zweifach ausgeführt.
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In 3 ist
der Bioreaktor 1 nochmals in größerer Darstellung in zwei zueinander
um 90 Grad versetzten Seitenansichten gezeigt. Man erkennt die den
Reaktionsraum ausbildende Glasflasche 18, welche mittels
eines Schraubverschlusses 20 mit einem Deckelteil 21 verschlossen
ist. Das Deckelteil 21 ist teilweise in den Flaschenhals
der Glasflasche 18 eingeführt, wird mittels des Schraubverschlusses 20 befestigt
und mittels einer zweifachen O-Ringdichtung 22 gegen die
Glasflasche 18 abgedichtet. Vorteilhaft kann auch eine
dreifache O-Ringdichtung
verwendet werden, um eine besonders gute Abdichtung zu erzielen.
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Das Deckelteil 21 umfasst
die Auslässe 14 und 15,
welche selbstverständlich
auch als Einlass verwendet werden können. In die Auslässe 14 und 15 sind
Schlauchanschlussstücke 23 eingesetzt,
welche mittels einer Gewindemutter 24 mit dem Deckelteil 21 verschraubt
werden. Die Schlauchanschlussstücke 23 sind
gegenüber
den Auslässen
mittels einer doppelten O-Ringdichtung abgedichtet. Die Gewindemutter 24 ermöglicht ein
leichtes Abnehmen der eingesetzten Schlauchanschlussstücke 23,
auch wenn diese durch einen Unterdruck in die Auslässe 14 beziehungsweise 15 eingesaugt
werden. Durch Drehen der Gewindemutter 24 werden nämlich die
Schlauchanschlussstücke 23 nach
außen
geschoben. Über die
Schlauchanschlussstücke 23 können die
Schläuche 6 aufgeschoben
werden.
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Die Auslässe 14 und 15 können vorteilhaft als
Nadelventil ausgeführt
beziehungsweise mit einem Nadelventil verschlossen sein.
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Das Deckelteil 21 umfasst
weiterhin vorteilhaft einen dritten Auslass beziehungsweise Einlass 17,
welcher mit einem Nadelventil verschlossen sein kann. Dieser Einlass 17 dient
zur Kalibrierung des Bioreaktors. Durch ihn kann das Kopfraumvolumen (headspace-Volumen)
verändert
werden, und er gestattet eine Messung ohne Kenntnis des Leervolumens
des Systems.
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Zudem ist an das Deckelteil 21 ein
Septumventil 19 angeschlossen, welches ermöglicht,
dass mittels einer hohlen Nadel eine Probe aus dem Reaktionsraum
entnommen werden kann, ohne dass Sauerstoff von außen in den
Reaktionsraum eintritt. Vorteilhaft kann das Septumventil 19 ebenfalls
auf ein Nadelventil 16, welches ähnlich den anderen Nadelventilen
ausgebildet ist, aufgesetzt sein.
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Der Bioreaktor kann beispielsweise
ein Volumen von 500 ml aufweisen und das Deckelteil 21,
wie dargestellt als Verschlussstopfen ausgeführt sein.
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6 zeigt
eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Bioreaktors.
Zusätzlich
zu den in der 3 gezeigten
Merkmalen umfasst dieser dargestellte Bioreaktor einen absenkbaren
Teller 25, welcher mittels einer vertikal angeordneten
Stange 26, welche durch das Deckenteil 21 geführt ist,
in seiner vertikalen Position innerhalb der Glasflasche 18 beziehungsweise
des Reaktionsraumes verstellt werden kann. Dieser absenkbare Teller 25 bietet
folgenden Vorteil:
Beim Einstecken des Deckelteiles 21 in
die Glasflasche 18 und Verschließen desselben mittels des Schraubverschlusses 20 kann
ein Überdruck
im Reaktionsraum entstehen. Wenn der Reaktionsraum, das heißt die Glasflasche 18 teilweise
mit einer Flüssigkeit
beziehungsweise einer Lösung
gefüllt
ist, so herrscht dieser Überdruck
nicht nur im Gasraum, sondern setzt sich auch in die Lösung fort.
Wenn nun einer oder mehrere der Auslässe des Deckelteiles 21 geöffnet werden,
so baut sich zwar der Überdruck
im Gasraum recht schnell ab, allerdings dauert dieser Abbauvorgang
in der Lösung
wesentlich länger.
Es ist daher notwendig, diese Entlüftung des Systems über eine
vorgegebene längere
Zeitspanne, beispielsweise 20 Stunden, fortzusetzen, bis eine vollständige Äquilibrierung
stattgefunden hat. Anschließend
kann der Reaktionsraum gegenüber
der Umgebung abgeschlossen werden. Eine Probe, welche auf dem absenkbaren
Teller 25 liegt und welche mit der Lösung reagieren soll, wird erst
dann mittels des absenkbaren Tellers 25 in die Lösung abgesenkt,
so dass der Reaktionsvorgang startet.
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In 4 ist
eine vorteilhafte Ausgestaltung einer elektrolytischen Zelle beziehungsweise
eines Sauerstofferzeugers zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Messeinheit
dargestellt. Auch die elektrolytische Zelle weist eine Glasflasche 18 auf,
in welche ein Deckelteil 21 eingesetzt ist. Das Deckelteil 21 ist
ebenso mittels eines Schraubverschlusses 20 mit der Glasflasche
verschraubt und mit O-Ringdichtungen gegen die Glasflasche 18 abgedichtet.
Das Deckelteil 21 weist zwei Ein- beziehungsweise Auslässe 14, 15 auf,
die mittels Nadelventilen verschlossen werden können beziehungsweise geöffnet werden
können.
Ebenfalls wie beim oben erläuterten
Bioreaktor sind Schlauchanschlussstücke 23 in die Auslässe 14 und 15 eingesetzt
und mittels jeweils einer Gewindemutter 24 verschraubt. Diese
Mutter 24 ermöglicht
wiederum das besonders leichte Herausziehen der mittels von O-Ringdichtungen
abgedichteten Schlauchanschlussstücke 23.
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Die dargestellte elektrolytische
Zelle umfasst zwei Elektrodenanschlüsse 27, welche in
der dargestellten Ansicht hintereinander angeordnet sind. Die Elektrodenanschlüsse 27 sind
flüssigkeitsdicht
ausgeführt,
so dass die gesamte elektrolytische Zelle 2 unterhalb eines
Wasserspiegels in einem Wasserbad angeordnet werden kann.
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Die elektrolytische Zelle produziert
Sauerstoff aus einer Cu-Sulfatlösung.
Eines der Auslassventile 14, 15 kann zum Entspannen
des Systems verwendet werden, während
das andere mit dem Druckmanometer über eine Schlauchleitung 6 verbunden
ist. Das Vorsehen eines eigenen Entspannungsventils an der elektrolytischen
Zelle verhindert ein Durchschlagen des produzierten Sauerstoffes durch
eine Sperrflüssigkeit
im Druckmanometer beim Entspannen des Systems, was die Gefahr für einen Sauerstoffeinbruch
in den Bioreaktor erhöhen
könnte.
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Die Glasflasche 18 ist mit
einem Elektrolyt befüllbar.
Zur Befüllung
können
beispielsweise einer oder beide der Auslässe 14, 15 verwendet
werden. Somit ist das Einstellen eines gewünschten Pegels von Elektrolytflüssigkeit,
beispielsweise CuSu4 möglich.
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Durch das Deekelteil 21 sind
eine Anode 28 und eine Kathode 29 geführt, welche über die
Elektroanschlüsse 27 mit
dem Steuergerät
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
verbunden werden können.
Die Anode 28 ist dabei in einem in das Innere der Glasflasche 18,
welche selbstverständlich
auch als ein Gefäß aus einem
anderen Werkstoff ausgeführt
sein kann, ragenden Rohr 30, welches ebenfalls mit Elektrolytflüssigkeit
befüllt
ist, angeordnet, während
die Kathode 29 spiralförmig
um das Rohr 30 geführt
ist.
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Die Anode 28 ist vorteilhaft
als Platinelektrode ausgeführt,
die direkt an der Steckverbindung des Elektrodenanschlusses 27 angeschweißt beziehungsweise
angelötet
ist. Vorteilhaft ist die Platinelektrode aus poliertem, nicht angerauhtem
Platindraht oder Platinfolie ausgeführt.
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In dem Rohr 30 können vorteilhaft Öffnungen beziehungsweise
Bohrungen 31 vorgesehen sein, um einen Teil des produzierten
Ausgleichgases, in diesem Fall des Sauerstoffes, in das umgebende
Gefäß 18 abzuleiten.
Somit wird nur der andere Teil des produzierten Ausgleichsgases
in das Druckmanometer geführt.
Auf diese Art und Weise kann ein anderes Leervolumen des Ausgleichgaserzeugers
beziehungsweise der elektrolytischen Zelle simuliert werden.
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Die Glasflasche 18 der elektrolytischen
Zelle kann teilweise oder ganz mit der Elektrolytflüssigkeit gefüllt sein.
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5 zeigt
eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Druckmanometers zur Verwendung
für die
erfindungsgemäße Messeinheit.
Das Druckmanometer ist als Schaltmanometer ausgeführt und
es sind zwei Sperrflüssigkeiten
in diesem angeordnet, um den mittels einer Schlauchverbindung angeschlossenen Bioreaktor
und die mittels einer weiteren Schlauchverbindung angeschlossene elektrolytische
Zelle voneinander zu trennen. Ein Zwischenraum im Manometer erlaubt
zudem, dass Unterdruckschwankungen des Bioreaktors ausgeglichen
werden. Der eigentliche Messraum ist verbunden mit einem Auslassventil 32 für das erzeugte
Biogas. Dieses Ventil kann wiederum als Nadelventil ausgeführt sein.
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Das Biogas aus dem Bioreaktor wird über das
Einlassventil 33, welches ebenfalls als Nadelventil ausgeführt sein
kann und ein entsprechendes Schlauchanschlussstück aufweist, in einen Einlassraum 35 des
Druckmanometers geleitet. Vom Einlassraum 35 strömt das Biogas
durch eine senkrecht ausgerichtete Kapillare 34 in einen
Zwischenraum 37, welcher unterhalb des Einlassraumes 35 angeordnet
ist und vom Einlassraum 35 mittels einer Wand 36 getrennt
ist. Die Kapillare 34 ist wie dargestellt durch diese Wand 36 geführt.
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Die Kapillare ist eingetaucht in
die erste Sperrflüssigkeit,
welche den Zwischenraum 37 teilweise befüllt. Somit
strömt
das Gas durch diese erste Sperrflüssigkeit aus dem Einlassraum 35 in
den Gasraum des Zwischenraumes 37, es blubbert sozusagen
durch die Sperrflüssigkeit
nach oben. Aufgrund dieser ersten Sperrflüssigkeit kann eine Rückströmung des
im Gasraum des Zwischenraumes 37 befindlichen Biogases
in den Einlassraum 35 wirkungsvoll und einfach verhindert
werden.
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Durch ein im Zentrum des Druckmanometers angeordnetes
senkrechtes Rohr 38 strömt
das Biogas aus dem Zwischenraum 37 in den ersten Druckraum 39 des
Druckmanometers. Dieser Druckraum 39 wird von unten begrenzt
durch eine zweite Sperrflüssigkeit.
Die zweite Sperrflüssigkeit
dient einerseits zur Detektion des Überdruckes im ersten Druckraum
und sperrt gleichzeitig den ersten Druckraum gegenüber aus
der elektrolytischen Zelle eingeleiteten Sauerstoff. Daher ist die
zweite Sperrflüssigkeit als
Elektrolytflüssigkeit
ausgebildet, in welcher Elektroden 40 und 41 eingetaucht
sind.
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Die zweite Sperrtlüssigkeit
(Elektrolytflüssigkeit)
weist zwei Flüssigkeitspegel
auf, nämlich
den dargestellten Flüssigkeitspegel 42,
welcher den ersten Druckraum 39 begrenzt und den zweiten
Flüssigkeitspegel 43.
Der Flüssigkeitspegel 43 wird
dadurch eingestellt, dass die zweite Sperrflüssigkeit in einem senkrecht
angeordneten Rohrstutzen 44, welcher senkrecht von oben
durch den ersten Druckraum 39 hindurch in die zweite Sperrflüssigkeit
hineinragt, mit zunehmendem Druck in dem ersten Druckraum aufgrund
einströmenden
Biogases nach oben gedrückt wird.
Oberhalb des zweiten Flüssigkeitspegels 43 ist der
zweite Druckraum 45 ausgebildet, in welchem das Ausgleichsgas
aus der elektrolytischen Zelle über
einen Anschluss 46 eingeleitet wird. Auch der Anschluss 46 kann
wiederum in der vorhergehend beschriebenen Art und Weise eines Nadelventils
mit eingestecktem Schlauchanschlussstück, welches mit einer doppelten
O-Ringdichtung abgedichtet ist, ausgeführt sein.
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Das so eingeleitete Ausgleichsgas
aus der elektrolytischen Zelle erzeugt einen zunehmenden Druck im
zweiten Druckraum 45 und damit eine Gegenkraft zur Druckkraft
im ersten Druckraum 39, welche den zweiten Flüssigkeitspegel 43 wieder
nach unten drückt
und damit den ersten Flüssigkeitspegel 42 nach
oben.
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Mittels der Elektroden 40 und 41 lassen
sich die vertikalen Positionen der Flüssigkeitspegel 42 und 43 feststellen,
woraus wiederum auf den Druck in dem ersten Druckraum 39 und
in dem zweiten Druckraum 45 geschlossen werden kann. Jeweils
eine Elektrode ist mit einem Elektrodenanschluss 27 verbunden,
welcher von oben in das Druckmanometer eingeführt ist. Die Elektrodenanschlüsse 27 sind
wiederum vorteilhaft flüssigkeitsdicht
ausgeführt.
Selbstverständlich
sind wenn notwendig alle Elektrodenanschlüsse des Systems gasdicht ausgeführt, sofern sie
eine Verbindung der Umgebung mit einem gasführenden Raum herstellen.
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Das dargestellte Druckmanometer umfasst vier
Einlässe
beziehungsweise Auslässe.
Wie vorhergehend beschrieben sind dies der Einlass 33 zum Zuführen des
Biogases in den ersten Druckraum, der Auslass 32, welcher
mit dem Innenraum des Rohres 33 verbunden ist, zum Abblasen
des Biogases nach einer Messung. Der Auslass 32 kann dafür beispielsweise
mit dem in 1 dargestellten
Auslassventil 5 verbunden sein. Weiterhin wurde bereits
der Einlass für
das in der elektrolytischen Zelle produzierte Ausgleichgas, das
heißt
der Anschluss 46 beschrieben, mittels welchem das Ausgleichgas
in den zweiten Druckraum 45 geleitet wird. Zusätzlich erkennt
man einen Auslass 47, welcher wiederum wie oben beschrieben
als Nadelventil ausgebildet sein kann, mittels welchem ebenfalls
eine Entlüftung
des Zwischenraumes 37 möglich
ist.
-
Durch Ausgestalten des erfindungsgemäßen Druckmanometers
mit zwei unterschiedlichen Sperrflüssigkeiten wird eine besonders
sichere Abtrennung des als Ausgleichgas erzeugten Sauerstoffs vom
Bioreaktor erreicht. Insbesondere das Einleiten des Biogases in
einen separaten Einlassraum bzw. Zwischenraum 37, welcher
auch als Schutzraum bezeichnet werden könnte, verhindert ein Zurücklaufen der
ersten Sperrflüssigkeit
in den Bioreaktor im Falle eines Unterdruckes seitens des Bioreaktors.
-
Dadurch, dass ein separates Entlüften der elektrolytischen
Zelle mittels des dargestellten Auslassventiles 4 möglich ist,
wird die Gefahr minimiert, dass die Flüssigkeitspegel der zweiten
Sperrflüssigkeit
beim Entlüften
des ersten Druckraumes 39 soweit abgesenkt werden, dass
ein Sauerstoffdurchtritt vom zweiten Druckraum in den ersten Druckraum stattfindet.
Auch wenn selbst dann die erste Sperrflüssigkeit noch ein unmittelbares
Eindringen von Sauerstoff in den Reaktionsraum verhindert, so bestünde doch
die theoretische Gefahr, dass Sauerstoffpartikel durch die erste
Sperrflüssigkeit
hindurch diffundieren und einen negativen Einfluss auf die Reaktion
im Bioreaktor ausüben.
-
- 1
- Bioreaktor
- 2
- elektrolytische
Zelle
- 3
- Druckmanometer
- 4
- Auslassventil
- 5
- Auslassventil
- 6
- Schlauch
- 7
- druckübertragendes,
gasdichtes Mittel
- 8
- erster
Druckraum
- 9
- zweiter
Druckraum
- 10
- Steuergerät
- 11
- Computer
- 12
- Signalleitungen
- 13
- elektrischer
Anschluss
- 14
- Auslass
- 15
- Auslass
- 16
- Nadelventil
- 17
- Einlass
- 18
- Glasflasche
- 19
- Septumventil
- 20
- Schraubverschluss
- 21
- Deckelteil
- 22
- O-Ringdichtung
- 23
- Schlauchanschlussstück
- 24
- Gewindemutter
- 25
- absenkbarer
Teller
- 26
- Stange
- 27
- Elektrodenanschluss
- 28
- Anode
- 29
- Kathode
- 30
- Rohr
- 31
- Bohrungen
- 32
- Auslassventil
- 33
- Einlassventil
- 34
- Kapillare
- 35
- Einlassraum
- 36
- Wand
- 37
- Zwischenraum
- 38
- Rohr
- 39
- erster
Druckraum
- 40
- Elektrode
- 41
- Elektrode
- 42
- Flüssigkeitspegel
- 43
- Flüssigkeitspegel
- 44
- Rohrstutzen
- 45
- zweiter
Druckraum
- 46
- Anschluss
- 47
- Auslass