DE4242881C2 - Transparenter wärmegedämmter Bioreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er bei­ spielsweise aus "Die Bierbrauerei", Prof. Weinfurtner, Ferd. Enke Verlag 1963, S. 148, 149, bekannt ist. Die bei der Gärung entstehende Wärme muß hier jedoch abgeführt werden, um die Gärung aufrecht zu erhalten und insbesondere die Geschmacksstoffe nicht zu verändern.

Um eine optimale Betriebsweise zu gewährleisten, benötigen Bioreaktoren, z. B. isoliert im Freien stehende Bioreaktoren, ein erhöhtes Temperaturniveau.

Für Biogasanlagen, die ein spezielles Anwendungsgebiet solcher Bioreaktoren darstellen, sollte das Temperaturniveau ganzjährig bei etwa 35-37°C betrieben werden. Diese Tempe­ ratur kann nur durch kontinuierliche Zufuhr von Prozeßenergie, meist in Form von dem Pro­ zeßgas, aufrecht erhalten werden. Der Anteil der Prozeßenergie an der Bruttoenergieerzeu­ gung aus dem Biogasreaktor beträgt nach der Untersuchung BMFT-Bericht "BMFT FB-T86-217, A. Perwanger, Zolling, Untersuchung und Optimierung von Biogasanlagen in der Praxis mit technisch ökonomischer Vergleichsauswertung" zwischen 25 und 50%.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Bioreaktor dergestalt zu verbessern, daß er mit mög­ lichst wenig Energiekosten betrieben werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies durch einen Bioreaktor nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Bioreaktors sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Da die Prozeßenergie in den meisten Bioreaktoren ganzjährig auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau von etwa 30-40°C zur Verfügung gestellt werden muß, scheint die Ener­ gieerzeugung unter Anwendung solarthermischer Komponenten wirtschaftlich. Die Ab­ deckung eines Bioreaktors, z. B. eines Fermenters, mit einer transparenten Wärmedämmung (TWD) stellt eine sehr einfache Möglichkeit zur Nutzung von Sonnenenergie und damit Ein­ sparung der Prozeßkosten dar.

Die Aufbringung einer selektiven Schicht auf den Bereich des Reaktors, auf den die transpa­ rente Wärmedämmschicht aufgebracht wird, reduziert die Transmissionswärmeverluste durch Wärmestrahlung (Anspruch 2).

Von großem Vorteil ist es, wenn der Reaktor auf den restlichen - nicht mit TWD versehenen - Flächen mit einer opaken Dämmschicht versehen wird. Da der Reaktor auf konstantem Temperaturniveau gehalten werden muß (33°C) ist eine Mantelheizung/-kühlung von Vorteil, die immer dann in Betrieb gesetzt wird, wenn das geforderte Temperaturniveau über- bzw. unterschritten wird.

Gem. Anspruch 4 ist es von besonderem Vorteil, wenn in dem Reaktor ein Rührwerk vorge­ sehen ist, wobei dann das an der Sonnenseite durch die transparente Wärmedämmschicht über die selektive Schicht erwärmte Biomaterial von dem Mischer umgewälzt wird, so daß der Wärmeübergang verbessert wird.

Zur besseren Anbringung der TWD kann es vorteilhaft sein, diese auf ein Traggerüst in ei­ nem geringen Abstand über dem Reaktor anzubringen.

Als transparentes Wärmedämmschichtmaterial eignen sich sogenannte Honey-Comb-Struk­ turen (Wabenstrukturen), die aus durchsichtigem Kunststoff gefertigt sind und deren Struktur Wabenform aufweist. Weiterhin können auch parallele Folien (Hostaflonfolien) ver­ wendet werden, die in einem Abstand von etwa 2-4 cm angeordnet sind. Sie können auch Abstandsstege aufweisen, so daß der Querschnitt etwa quadratisch oder rechteckig ist. Die Dicke dieser Wabenstruktur beträgt etwa 4-10 cm, wobei die Waben senkrecht auf die zu erwärmende Oberfläche aufgebracht sind, so daß die Solarstrahlung z. T. direkt und z. T. mit nur geringen Durchgängen durch das Kunststoffmaterial auf die Oberfläche der zu erwär­ menden Wand trifft. Die TWD verhindert aufgrund nicht stattfindender Konvektion in den Waben den Wärmefluß zurück von der erwärmten Wand in die Umgebung.

Sofern der Reaktor einen relativ großen Durchmesser hat, ist es vorteilhaft, auch die Ober­ seite des Reaktors mit TWD-Material zu versehen.

Auf der Außenseite der TWD sollte eine transparente Witterungs-Schutzschicht aus trans­ parenter Folie, Glas, Putz oder transparentem Kunststoff, z. B. Acrylglas, angeordnet sein.

Je nach Anforderung an den Bioreaktor kann die TWD die Reaktorheizung nur unterstützen oder, falls kein konstanter Biomassedurchsatz erforderlich ist, oder, falls im Winter die An­ lage nicht betrieben werden muß, kann die Wärmedämmung die Heizung sogar vollständig ersetzen. Auf diese Weise stellt die TWD ein sehr einfaches kostengünstiges solares Heizsy­ stem dar. Da weiterhin die Zufuhr der Solarenergie relativ stetig erfolgt, sind keine Überhit­ zungsprobleme zu erwarten. Falls zuviel Wärme im Sommer in den Reaktor gelangt, kann über die kontrollierte Zufuhr von Frischgut eine Temperaturregelung erfolgen und an kühle­ ren Tagen über eine Mantelheizung.

In der Abbildung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Schnitt dargestellt. Ein derartiger Reaktor kann z. B. ein 50 cbm-Fermenter sein mit einer außenliegenden Man­ telheizung mit mechanischem Rührwerk. Aus der in der Einleitung angegebenen Literatur ist ersichtlich, daß der Prozeßenergiebedarf weitgehend konstant bei etwa 1000 cbm Biogas pro Monat liegt.

Im Normalfall muß eine Biogasanlage bei einem relativ gleichbleibenden Temperaturniveau betrieben werden (36 +/- 2°C). Bei Veränderung des Temperaturmilieus werden auch die Lebensbedingungen der jeweiligen Bakterien stark eingeschränkt, so daß der eigentliche Prozeß zum Erliegen kommt. Eine Überhitzung muß folglich unbedingt vermieden werden. Zunächst soll bilanziert werden, ob im Sommer bei kontinuierlichem Betrieb der Anlage eine Überhitzung überhaupt möglich ist. Ausgehend von einer 40%igen Belegung der Außenflä­ che und einem Energiebedarf von 214 kWh der Anlage/1/, ergäbe sich bei einem Ener­ gieinput von 8 kWh/m² _*d eine unerwünschte Erwärmung des Reaktors. Der maximale so­ lare Eintrag auf eine um 45°C geneigte Fläche liegt in Freiburg bei ca. 7.5 KWh/m² _*d. Bei der Betrachtung der Biogasanlage wird also selbst im Sommer immer noch etwas Prozeß­ energie erforderlich sein.

Claims (8)

1. Bioreaktor bestehend aus Reaktorgefäß, Zu- und Ableitungen sowie gegebenenfalls mit einer Heizeinrichtung, wobei an wenigstens einem Teil der Außenfläche des Reaktors eine Abdeckung aus einer Wärmedämmschicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem Teil der Außenfläche des Reaktors eine Abdeckung aus ei­ ner transparenten Wärmedämmschicht (TWD-Schicht) angeordnet ist.

2. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenfläche des Reaktors im Bereich unterhalb der TWD eine selektive Schicht zur Reduzierung der Transmissionsverluste des Bioreaktors durch Wärmestrahlung aufgebracht ist.

3. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor auf der restlichen Außenfläche mit einer opaken Wärmedämm­ schicht versehen ist.

4. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die TWD auf einer Tragstruktur und vor der selektiven Schicht in geringem Abstand angeordnet ist.

5. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die TWD aus Wabenmaterial oder parallelen Folien besteht, die senkrecht auf der Oberfläche des Reaktors angeordnet sind.

6. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel und/oder die Oberseite des Reaktors mit der TWD versehen ist.

7. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenseite der TWD eine transparente Abdeckung vorgesehen ist.

8. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bioreaktor ein Biogasreaktor ist.