JP4819816B2 - バイオガス測定装置及びバイオガスの容積を測定するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、バイオガス測定装置であって、
バイオリアクタと、
バイオガスのためのガス導管を介してこのバイオリアクタと連通して接続され、
ハウジングの中で規定された測定容積を有している測定チャンバと、
ガス入口弁により制御される、この測定チャンバの中へのガス入口と、
ガス出口弁により制御される、この測定チャンバからのガス出口と、
大気圧を検出するための圧力センサと、
前記測定チャンバ内の圧力と、大気圧又は現在のシステム圧力との差圧を検出するために、前記測定チャンバと連通している差圧センサと、を有するガス量計と、
前記バイオガス測定装置を制御し、連続的な測定サイクルの前記ガス量計により測定されるガス量に応じて前記バイオリアクタの中で発生されたガス量を決定する、測定、制御、及び評価ユニットであって、各測定サイクルに対して、
ａ）前記ガス入口弁を開くことによりガス量(Gasmenge)を前記測定チャンバに、規定された閾ガス圧に達するまで導入する工程と、
ｂ）規定された閾ガス圧に達した場合に、前記ガス入口弁を閉じる工程と、
ｃ）前記測定チャンバの中の温度を測定する工程と、
ｄ）膨張時間の間、前記ガス出口弁を開く工程と、
ｅ）前記ガス出口弁を閉じる工程と、
を有する、測定、制御、及び評価ユニットと、を有するバイオガス測定装置に関する。

さらに、本発明は、このようなバイオガス測定装置により、複数の測定サイクルで、バイオリアクタの中に発生されたバイオガスの容積を測定するための方法に関する。

ガス量計は、積算体積ガスメータ(Verdraengungsgaszaehlern)、差圧ガスメータ(Wirkdruckgaszaehlern)、及びフローガスメータ(Stroemungsgaszaehlern)の形態で既知である。

積算ガスメータは、容積測定が、１つ以上の測定チャンバを周期的に満たしたり空にしたりすることにより直接行われる容積計である。この場合、ガスの物理的特性は、いかなる取り囲む空間も完全に満たすために用いられる。測定チャンバの部分体積又は充填材（充填）(Fuellung)は、カウンタにより共に加えられる。流れ過ぎたガスの容積は、この場合、充填の回数に容積(Inhalt)を乗じたものに対応する。

全ての積算ガスメータは、流れのプロファイルによらない。積算ガスメータは、作動状態のガスの容積を測定する。すなわち、圧力と温度とに対する実際の値を備えたガスの容積を測定する。メータの入口と出口との間の差圧は、これらのガスメータのための駆動力としての役割を果たす。駆動エネルギは、ガス流から分離される。この範疇には、高い正確さと小さな測定範囲とのために、実験室及び較正の部門で主に用いられる湿式ドラムガスメータ(nassen Trommelgaszaeler)が含まれる。ドラムガスメータは、工業的な用途には、高価すぎ、封液の検査が毎日必要であるため、メインテナンス集約的すぎる。容積式ガスメータ(Balgengaszaehler)は、１つの代替物である。さらに、既知の積算ガスメータは、非常に頑丈なロータリピストン及びロータリスルースガスメータ(Drehkolben-und Drehschleusengaszaeler)であるが、構成のタイプが原因のギャップ損失のために、また、発生する振動が理由で、大きなガスの容積流のみに適している。

差圧ガスメータは、差圧トランスデューサ（隔壁又はノズル）と通過流(Durchfluss)測定量コンバータとを備えた測定部からなっている。パイプラインに作りこまれた絞り弁では、流速の増加は、断面積を狭くする結果として生じる。この結果生じる差圧（実効圧力）は、通過流の基準である。

フローガスメータでは、容積測定は、流れにより動かされる測定部材又は周期的に影響を受ける可動ではない測定部材により間接的に生じる。容積測定は、速度測定に基づく。複数のブレードが設けられたホイールが、流れ力により回転されるように設定されているタービンホイールメータと、対応する複数の付属品により発生される周期的な複数の流れ渦が計測のために用いられる渦ガスメータとは、区別される。タービンホイールの回転周波数あるいは渦の周波数は、平均流れ速度に比例し、この結果、容積通過流に比例する。フローガスメータには、また超音波メータが含まれる。

バイオガスの発酵では、ガスの発生は、有機化合物の生物学的な分解にしたがって、また、「Ｓ」字形状の曲線の輪郭のガスを発生する細胞塊の増加にしたがって、生じる。ガス発生の最大値への急激な増加の後、発酵の終了へ向かってガス発生の減少が原因のガス曲線の平坦化が続く。この結果、発酵の間、発酵の終了に向かって、１０の数乗(um mehrere Zehner Potenzen)変化し、数ミリリットル毎日（ｍｌ／ｄ）にしかのぼらない容積流を発生させる。ギャップの寸法と内部抵抗と比一定な流れとのための損失が原因で、、このような小さな容積流は、差圧及びフローメータ、又はロータリスルース及びロータリピストンメータのような開放系によっては検出できない。既知の閉鎖されたドラム及び容積式メータも、広い測定範囲と、ガス流とテストリアクタ内での関連した圧力の上昇とから必要とされるシステムの駆動エネルギとが原因で、不適当である。

およそｑ_ｍａｘ＜６５０ｍ^３／ｈの小さな最大容積流と、およそＰ_ｅｆｆ＜１００ｈＰａの小さな実効圧力とでのガス測定の特殊な特徴は、標準容積Ｖ_ｎの決定がコンバータによって行われる必要がなく、修正要素(Korrecturfaktoren)により作動容積を再計算するだけにより達成することができるという事実である。

ＢＩＯｆｏｒｕｍ ３／２００１、１４９乃至１５１ページのＢｕｅｃｈｓ Ｊ．とＡｎｄｅｒｌｅｉ Ｔ．：“ＲＡＭＯＳ（Ｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎ Ａｃｔｉｖｉｔｙ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）−Ｏｎｌｉｎｅ−Ｍｅｓｓｕｎｇ ｄｅｒ Ａｔｍｕｎｇｓａｋｔｉｖｉｔａｅｔｅｎ ｂｉｏｌｏｇｉｓｃｈｅｒ Ｋｕｌｔｕｒｅｎ ｉｎ ｇｅｓｃｈｕｅｔｔｅｒｌｔｅｎ Ｂｉｏｒｅａｋｔｏｒｅｎ（−オンライン−振動されるバイオリアクタ内の生物学的培養物の呼吸活動の測定）には、振動されるバイオリアクタ内の生物学的培養物の呼吸活動を検出するための方法が記載されている。振動されるバイオリアクタ内の培養物試験の間、測定サイクルが反復して連続的に実行され、測定段階と洗浄段階とに分割されている。この洗浄段階では、入口及び出口弁が開かれ、洗浄ガスが測定フラスコを通って流れる。測定段階を開始するためには、この測定フラスコの入口及び出口弁が閉じられる。微生物の持続性の呼吸活動により、測定フラスコのガス空間の酸素及び二酸化炭素の分圧の変化がもたらされる。この測定フラスコ内の酸素移動速度（ＯＴＲ）、二酸化炭素移動速度（ＣＴＲ）、及び呼吸商（ＲＱ）は、酸素及び二酸化炭素センサを用いて検出される分圧変化から決定される。引き続いて、前記複数の弁は、再び開かれ、次の測定サイクルが開始する。バイオマスにより発生されるであろうガスの容積を決定することはできない。

特にバイオリアクタ内でのバイオマスの発酵の間にバイオガスの産出量を最適化するためのガスの容積測定では、非連続的な複数の試験での生物学的なガスの放出の特性のために、比較的広い測定範囲が必要とされる。この結果、発酵の開始時では、毎分ミリリットルの範囲の比較的大きな容積流を測定することができ、終了時では、毎日数ミリリットルの小さな容積変化を測定することができる。特に、テストリアクタの中で感知できるほどの圧力は、上昇しないはずである。結果として生じる小さな圧力効果と、小さな容積流と、長期間の密閉性に関する高い必要条件とが原因で、ガス流により機械的に駆動される開放したガス測定系のいずれも適切ではない。

米国特許５，７４２，５２３Ａには、初期圧力に達するまで、容器をガスで充填するために、ガスのための入口弁を備えた既知の容積のガス容器を有している、ガス容積のための測定装置が開示されている。この容器内の温度とガス圧とを測定した後に、この容器内のガス圧が出口弁とガス導管とを介して計算され、この計算されたガス圧に到達するまで、出口弁は開かれる。この場合、ガスの温度は、一定に保たれる。この結果、ガスの最も正確に規定された質量を出口弁を通して排出することができる。

ＦＲ ２ ７６７ ２０６には、ガス量が、入口弁を介して、規定された容積に導入される、ガス測定装置が開示されている。この容積内の温度とガスの圧力とを測定することにより、この容積の中のガスの容積が決定される。

さらに、ＤＥ １０１ ６２ ２８６ Ａ１には、測定チャンバと、この測定チャンバ内の内部圧力を検出するための圧力センサと、環境圧力を検出するための圧力センサと、温度センサとを備えている、環境圧力の下でガスの容積を決定するための装置が開示されている。入口及び出口弁を用いて、複数の容積のガスが測定チャンバの中に通り、公式ｐ_１＊Ｖ_１／Ｔ_１＝ｐ_２＊Ｖ_２／Ｔ_２に従って、ボイルの法則を用いて、これらのガスの容積が決定される。ここでｐ_１は、測定チャンバ内の支配的な(herrschende)圧力、Ｖ_１は、測定チャンバの容積、Ｔ_１は、測定チャンバ内の温度、ｐ_２は、環境気圧、Ｖ_２は、求められている(gesuchte)圧力、Ｔ_２は、環境温度である。

本発明の目的は、観測の長期間にわたってバイオガスリアクタ内で発生されるバイオガスの容積を高い精度で決定することができる、バイオガス測定装置を提供することである。

この目的は、一般的なバイオガス測定装置を用いて、以下のことで達成される。
前記バイオリアクタは、外部に気密に閉じられ、この結果、このバイオリアクタ内で発生されたガスの容積をガス量計の測定チャンバにより検出することができ、
攪拌機が、前記バイオリアクタ内に気密に案内され、
冷却要素が、バイオガスのためのガス導管に設けられ、前記バイオガス測定装置を制御するための測定、制御、及び評価ユニットが、凝縮により前記バイオガス内の水蒸気の濃度を減少させ、測定サイクルの測定されるガスの容積を標準状態に規格化するために前記冷却要素が作動されるように、デザインされている。

このようなバイオガス測定装置により、個々の容積要素(Volumenelemente)をまず測定することができ、続いて、密閉して閉鎖されたシステムから抜き出す(entnommen)ことができる一方、圧力条件を、ほぼ一定に保つことができる。この場合、ＤＥ １０１ ６２ ２８６ Ａ１から既知のガス量計が、ガス導管によりバイオリアクタに直接接続することができ、内部の圧力が敏感な圧力センサにより測定される、測定チャンバに本質的に基づく測定原理で、用いられる。前記システム内の圧力が設定された低い閾値に達すると、前記測定チャンバは、弁により、試料スペースから分離され、すなわち、前記バイオリアクタから分離され、中に入れられているガスの容積が決定される。セルは、引き続いて、ガス出口弁を開くことにより環境気圧に膨張され、このガスは、前記システムから放たれる。前記出口弁を閉じた後、前記バイオリアクタへの接続が回復され、測定サイクルを始めから開始することができる。

本発明によるバイオガス測定装置は、好ましくは、実験室のスケールの、バイオガスを発生させるための閉鎖された測定システムで、ガス圧計がバイオリアクタに連通して接続され、このシステムは、外部に気密に閉鎖され、この結果、前記バイオリアクタ内で発生された全てのガスの容積が、前記ガス量計の測定チャンバにより測定されることができ、制御されてガス量計を通って排出される。攪拌機は、この場合、前記バイオリアクタ内のバイオマスを混合するために、このバイオリアクタ内で気密に案内されている。さらに、前記バイオガス内の水蒸気濃度を凝縮により減少させ、この結果、比較可能な測定条件を確保するために、前記バイオリアクタから前記ガス量計へ導かれている、バイオガスのためのガス導管の冷却要素が設けられている。

さらに、標準状態に規格化することにより達成されることは、容積生成の正確なプロファイルを、はるかに離れた複数の測定の間の単なる容積の和ではなく、時間経過で記録することができることである。

一緒に取られるこれらの測定により、小さなバイオガスの容積の流れしかない場合でも、高い精度で検出可能なバイオガスリアクタのバイオガス収容能力がもたらされる。

以下のことが、再現可能なバイオガスの容積の測定のために必要とされる。
ａ）一定に保たれたバイオプロセス（モニタリング、規制）
生物学的なプロセス、したがってガス発生、は、用いられるバイオマスの生物学的なパラメータと、用いられる微生物と、温度、混合、及び乾燥物質内容の複数の物理的パラメータと、ｐＨ値、酸化還元電位、照明、及び複数の有機酸の複数の化学的パラメータと、などに本質的に依存する。これら全てのパラメータは変化すると、生物学的なプロセス、したがって、ガス発生とガス測定の結果とが影響される。したがって、化学的及び生物学的なパラメータは、試験が準備される前に、一定に設定される。しかしながら、物理的パラメータは、試験のランニングタイムの間、規制され、モニタされなければならず、この試験を評価する際に考慮に入れられなければならない。したがって、これらの必要条件を満たすバイオガス測定装置は、規制されモニタされる温度と、規制されモニタされる攪拌機と、前記測定ガスから前記バイオマスに戻る水蒸気の凝縮及び再循環と、を提供する。

ｂ）一定条件での測定（標準化）
この目的のために水蒸気は、前記測定ガスから除去される（乾燥）。

ｃ）環境パラメータの考慮（規格化）
本発明によるバイオガス測定装置では、環境温度と環境気圧とが、測定され、考慮される。
反対に、従来の実験室のバイオガスメータでは、連続する生物学的なプロセス又は複数の環境条件のパラメータは、ガス測定データを評価するために考慮に入れられていない。

ガスの容積は、理想気体を仮定して、一定容積で圧力を検出することにより計算されている。この容積は、ガス圧が変化する場合には、変化するべきではなく、この結果、前記測定チャンバは、比較的頑丈なデザインでなければならない。

もし、前記測定、制御、及び評価ユニットが前記ガス出口弁を閉じた後の現在のシステム圧力と、待機段階とを測定し、この現在のシステム圧力に対して続く測定サイクルのために規定された閾ガス圧を適合させるために、デザインされているならば、有利である。この規定された閾ガス圧は、例えば、現在のシステム圧力よりおよそ２ｈＰａ上でもよい。すなわち、前記差圧センサが測定サイクルが開始された後に、規定された相対的な閾圧力だけの圧力の上昇を検出した場合、この時点でのガスの容積は、前記ガス入口弁が閉じられた後に決定される。

前記測定チャンバを囲んでいるハウジングの熱容量は、測定されるガスの熱容量よりも非常に大きい。さらに、このハウジングの質量は、前記測定チャンバにより受容されることができるガスの質量よりもずっと大きいべきである。この結果、測定セルへの熱的結合により迅速な温度変化が補償されるという点で、可能な限り高い一定温度が確実とされる。

さらに前記測定セルへの熱的結合を最適化するために、もし、前記測定チャンバがスチールウールなどで充填されていれば好都合である。

さらに、例えば、窒素のような洗浄ガスを洗浄段階で前記測定チャンバの中に導入するために、もし、洗浄ガス弁により制御される制御ガス入口が、前記測定チャンバに設けられているならば、好都合である。

前記測定、制御、及び評価ユニットが、大気圧と、差圧と、次の公式によって規定される測定容積とから測定サイクルのガスの容積を決定するためにデザインされていることは好ましい。

用いられる前記差圧は、前記測定チャンバ内で閾ガス圧に達した後に測定サイクルで測定されるガス圧と、直前の測定サイクルで決定されるシステム圧力との相違であることが好ましい。

規格化は、標準圧力、好ましくはＰ_Ｎ＝１０１３．２５ｈＰａ、に対して次の関係に従って、規定された閾ガス圧に達した場合に前記測定チャンバ内の測定された圧力Ｐ_１により、規格化されたガスの容積を計算することにより行うことができる。

しかしながら、標準温度、好ましくは２０℃の標準温度に規格化されたガスの容積を、次の関係に従って、前記測定チャンバの測定される温度Ｔ１により、計算することも好都合である。

さらに、前記測定、制御、及び評価ユニットは、連続した複数の測定サイクルで決定されたガスの容積又は規格化されたガスの容積を積分するようにデザインされていることが好ましい。結果として、閉鎖系で発生されたガスの容積は、たとえガスの発生が少なかったとしても、長時間にわたって検出されることができる。

前記攪拌機は、測定ガスと洗浄ガスとのための一体化された複数のガス導管と、これらガス導管のための側方の複数の孔と攪拌シャフトを受け入れるための中央の穴とを備えた円筒状の本体と、この本体に気密に受け入れられる攪拌モータと、前記バイオリアクタに気密に設置するためのこの本体のコーンと、を有していることが好ましい。前記測定ガスのためのガス導管は、この場合、前記ガス量計に接続されている。洗浄ガスのためのガス供給導管が、中空のシャフトとしてデザインされた攪拌シャフトを通して前記バイオリアクタの中に導かれていることは好ましい。

凝縮により水蒸気濃度を減少させるために、ペルティエ冷却素子が、前記攪拌機の、前記測定ガスのためのガス導管に設けられていることは好ましい。このペルティエ冷却素子を、例えば特殊な熱伝導フィルムにより前記攪拌機の頭部に直接押し付けることができる。

さらに、前記目的は、このようなバイオガス測定装置により、複数の測定サイクルで、バイオリアクタ内で発生されるバイオガスの容積を測定するための方法により達成され、各測定サイクルでは、以下の工程が実行される。
ａ）前記バイオガス内の水蒸気濃度を減少させるためにこのバイオガスを冷却する工程、
ｂ）規定された閾ガス圧に到達するまで前記ガス入口弁（１２）を開くことにより前記測定チャンバ（３）内にバイオガスのガス量を導入する工程、
ｃ）規定された閾ガス圧に達した場合に、前記ガス入口弁（１２）を閉じる工程、
ｄ）前記測定チャンバ（３）内の温度（Ｔ_１）を測定する工程、
ｅ）膨張時間の間、前記ガス出口弁（１４）を開く工程、
ｆ）前記ガス出口弁（１４）を閉じる工程、
ｇ）測定サイクルの前記測定されたガスの容積（ΔＶ）を標準状態に対して規格化する工程。
本発明による方法の有利な実施形態は、下位請求項に記載されている。
本発明は、例として、添付されている図面を参照してより詳細に説明される。

図１は、ガス量計２のためのハウジング１の斜視図を示している。このハウジング１には、中に、互いに隣り合って横になり、一方が他方の中へと結合している２つの円柱状の穴の形態の測定チャンバ３が設けられている。この測定チャンバ３は、前面プレート４により密閉して閉じられる。ハウジング１又は前面プレート４の溝の中のＯリング封止部が、この目的のために設けられていてもよい。

前面プレート４の中には、ガス入口５のための孔とガス出口６のための孔と洗浄ガス(Spuelgase)のための導通孔７とが設けられている。

さらに、差圧センサ８が、ハウジング１の中にねじ込まれ、大気圧Ｐ_ａに対する測定チャンバ３の内部圧力が検出されるように測定チャンバ３と連通している。可能な限り小さな差圧ｄＰを検出するために、圧力センサ８の隔壁は、質のよい弾性体による周囲に対して低圧で封止されている。このような弾性体は、例えば、ケルタン（ＫＥＬＴＡＮ（登録商標））、ドゥトラル（ＤＵＴＲＡＬ（登録商標））、ビトン（ＶＩＴＯＮ（登録商標））、テフロン（登録商標）（ＴＥＦＬＯＮ（登録商標））であってよい。これらの弾性体は、バイオガスの腐食特性にも十分な抵抗力がある。

ハウジング１が、例えば、７５×５０×３０ｍｍの外寸法を有する硬いＶ_４Ａブロックからなることは好ましい。６３ｍｍ^３の規定された容積が切削されると、ハウジング１は、４５６ｇの質量を持つ。このように寸法を決定することは、測定セルが作動している場合に測定ガスの温度揺らぎを平滑化するために有利である。ガスは、例えば、大気圧Ｐ_ａの２ｈＰａ上、すなわち現在のシステム圧力Ｐ_２の閾ガス圧までわずかに圧縮される。この操作は、非常にゆっくりと進行するため、測定ガスが昇温しないように圧縮熱を放出することができる。しかしながら、引き続いての迅速な膨張の間、このガスは、冷却される。この場合、出口弁が閉じられると、測定チャンバ３のなかに入れられているガス体は、非常に冷却される。しかしながら、容積の実際の変化からではなく、外部から供給された熱の結果生じる引き続く熱交換の間に圧力の上昇が起こる。この結果、このシステムは、閉鎖されておらず、容積の計算は不可能であろう。

したがって、ガス量計２では、このガス量計の内部でのガスの冷却が大きく低減される他の解決手段が実行される。測定ガスの熱容量と比較してＶ_４Ａの熱容量が非常に大きいという理由から、また、測定ガスの質量と比較して測定セルの質量が非常に大きいという理由から、この測定セルの対応する大きな表面の場合には、非常に冷却された測定ガスは、感知できるほどに測定セルを冷却することなく、再び昇温する。Ｖ４Ａスチールウールで満たされた測定チャンバ３により、また、ガス空間の内側表面積が関連して非常に増加するために、測定ガスは、ハウジング１の硬いスチールブロックとの迅速な温度交換におかれ、この結果、引き続いて温度揺らぎは、もはや生じない。測定サイクルのために必要とされる時間を、これにより、５００ｍｓまで短縮することができる。

測定チャンバ３が切削された場合、ハウジング１の機械的な安定性を確実に可能な限り高くするために、中央のウェブは残される。

図２は、バイオリアクタ９とつながれている、図１に示されている測定セルの使用を示している。このバイオリアクタ９は、例えば、中に攪拌機(Ruehrwerk)１０が対ガスすなわち気密に導入された三角フラスコである。ガス排出ホース１１が、ガス入口弁１２を介して、測定セルのガス入口５へと導かれている。ガス出口弁１４を介して大気中へと導かれているガス出口導管１３が、ガス出口６に接続されている。
さらに、大気圧Ｐａを検出するための圧力センサ１５も設けられている。

このようなシステムにより測定を実行することは、測定操作の流れ操作のフローチャートを示している図３により説明される。

まず、初期化行程で、測定セルのガス入口弁１２とガス出口弁１４とが開かれる。この位置では、試験の開始から５秒後、現在のシステム圧力Ｐ２を検出し、システムを較正するために、測定チャンバ３の中の相対的な内部圧力ｄＰの測定が一度行われる。

ガス出口弁１４を閉じた後、スイッチング及び測定の工程１が開始する。この場合、測定チャンバ３は、バイオリアクタ９と共に、閉じられた外部に対して気密の空間である。５００ｍｓの圧力時間(Druckzeit)が経過した後、圧力センサ８が測定チャンバ３の中の圧力変化の記録を開始する。すなわち、閉じられたガス空間で、圧力変化をあらかじめ設定された閾ガス圧と比較する。この圧力の閾値を、例えば、＋２ｈＰａで設定してよい。この閾ガス圧に到達すると、ガス入口弁１２は閉じられ、スイッチング測定の工程３が開始する。２００ｍｓ後、大気圧Ｐａに対する測定チャンバ３の中の相対的な圧力Ｐ１の測定が行われる。封入されたガス量は、この時点で、圧力Ｐ１、温度Ｔ１、及び容積Ｖの既知のパラメータにより規定される。スイッチング及び測定の工程３では、流出するガスを可能な限り完全に膨張させるために、ガス出口弁１４は、１０００ｍｓの持続時間の間、開かれている。

スイッチング及び測定の工程４は、ガス出口弁１４を閉鎖して開始する。２００ｍｓ後、相対的な圧力Ｐ_２の第２の測定がこの場合は比較的低い圧力レベルで行われる。この比較的低い圧力レベルは、次の測定サイクルのための閾ガス圧を計算するための新しいシステム圧力Ｐ_２として用いられる。一般に、このシステム圧力Ｐ_２は、外部環境の大気圧Ｐ_ａに近いが、例えば、結果が影響を受けないように、反対圧力(Gegendruck)により、ガス出口弁１４で異なる値を仮定してもよい。

この４番目の工程では、測定チャンバ３の中の温度Ｔ_１、相対的な差圧ｄＰ＝Ｐ_１−Ｐ_２、及び大気圧Ｐ_ａの個々の測定値の全ての平均値を測定ファイルに書き込むことができる。

ガス入口弁１２が、引き続いて再び開かれ、新しい測定サイクルに対してスイッチング及び測定の工程１が再び開始される結果となる。

各個々のガス量ｄＶの計算は、以下の式に従って行われる。

ここで、Ｐ_ａは、大気圧で、Ｐ_１は、スイッチング及び測定の工程２で測定された相対的な圧力Ｐ_１で、Ｐ_２は、現在のシステム圧力で、Ｖ_ＲＥＦは、測定チャンバ３の規定された既知の容積である。

この場合、大気圧Ｐ_ａは、現在、各測定サイクルに対して測定され、この結果、相対的な気圧の変化が、不正確な測定値につながらない。

バイオリアクタ９の中全体で発生したバイオガスの容積Ｖ_ｇｅｓは、各測定サイクルで決定される個々の容積の和からなっている。

個々のガス量ｄＶ、又はガス量の全体Ｖ_ｇｅｓを標準状態に規格化することができる。この結果、対比可能な結果を得ることができる。

標準圧力Ｐ_ｎに規格化されたガス量Ｖ_ｎは、以下の式に従って、測定された圧力Ｐ_１と、１０１３．２５ｈＰａの標準気圧とから計算される。

測定チャンバ３の中の温度Ｔ_１は、仮定されている２０℃の標準温度Ｔ_ｎに等しい。

１０１３．２５ｈＰａの標準圧力Ｐ_ｎに対応する測定された圧力Ｐ_１の場合に、２０℃の標準温度Ｔ_ｎに規格化されたガス量Ｖ_２が、以下の式に従って計算される。

規格化されたガス量Ｖ_２は、標準リットル(Normlitern)Ｎ_１で与えられる。

図４は、バイオリアクタ９で用いるための攪拌機１０を示している。この攪拌機１０は、攪拌モータ１８が上方から中に挿入され、軸継手１９が下方から挿入される中央の孔１７を備えた円筒形状の本体１６を有している。攪拌モータ１８は、管としてデザインされ本体１６に下方端で接続されているコーン２１を通して支持ベアリングにより延びている曲げられた攪拌シャフト２０に、軸継手１９を介して、接続されている。このコーン２１は、外面に標準的な研磨面(Normschliff)ＮＳ２９を有しており、この結果、この攪拌機１０をガラスで形成された最も普通の実験室用の器具に普遍的に用いることができる。

コーン２１は、ガス測定システムを封止し、攪拌シャフト２０の攪拌モータ１８への解除可能な接続を収容する本質的な目的を前提とされている。

攪拌モータ１８のモータシャフトにねじ込むことができる軸継手１９は、攪拌シャフト２０を受容するためのボールタイプのロック機構を有している。このボール機構は、攪拌モータ１８の回転方向と反対にロックする。それに反して、攪拌モータ１８の回転方向へ回転させる結果として、ロックが開き攪拌シャフト２０を取外すことができる。軸継手１９を受け入れるために、コーン２１は、切削された部分を有し、この部分は、また、同時に、洗浄ガスを本体１６から回転する軸継手１９の中に移動させるために用いられる。この洗浄ガスは、それから、軸継手１９の中の複数の孔を介して中空の攪拌シャフト２０の中へと導かれる。それから、攪拌機が回転すると、洗浄ガスを攪拌シャフト１９の、底部で開いた端部を介して、バイオマス(Biomasse)の中へと導入することができる。さらに、コーン２１は、バイオリアクタ９からモータのキャリアの本体１６の中への測定ガスの移動を引き継ぎ、攪拌シャフト２０の下方の取り付けと封止とを受け持つ。

本体１６は、測定ガスと洗浄ガスとを案内するために２つの側方の孔２２、２３を有している。これら孔２２、２３は、複数のクイックアクションガスコネクタ(Gas-Schnekkverbindern)を介して、本体１６の上側３分の１で外側に導かれている。安全の理由から、測定ガス出口２２は、引き抜かれた状態で開いているガスコネクタ（プラグ）を有しているべきで、洗浄ガス入口２３は、引き抜かれた状態で閉じられたガスコネクタ（ソケット）を有しているべきである。このように、ガス導管が引き抜かれていると、バイオリアクタ９の中で発生した過剰な圧力は、いつでも外側に逃げることができ、洗浄ガスの孔の中へと通過することができない。さらに、この結果、バイオリアクタ９は、洗浄ガス導管がないとしても測定ガスの接続があるだけで作動することができる。

測定ガスの中の水蒸気の濃度を凝縮により減少させるために、測定ガス導管は、測定ガス冷却器としてのペルティエ素子２４に接続されている。このペルティエ冷却素子２４の高温側を熱伝導フィルムにより攪拌機１０の頭部に熱的に結合することが好ましい。

図５は、ガス量測定システムの個々のサブ組立体を図示している。

制御及び評価のコンピュータ２５は、バス２６、例えばシリアルバス（例えば、ＲＳ２３２）を介して、大気圧Ｐａを検出するための圧力センサ１５を搭載している制御カード２７に接続されている。さらに、この制御カード２７は、バイオリアクタ９が中に位置する水槽の温度をモニタするための役割を果たす。

さらに、コンピュータ２５は、バス２６を介して、差圧センサ８を備えているガス量計２を搭載しているガス測定モジュール２９と、ガス入口弁及びガス出口弁１２、１３とに接続されている。さらに、ガス測定モジュール２９は、図４による攪拌機１０の制御とセンサとの出力のインタフェースを形成している。

特に、ペルティエ冷却素子２４と攪拌モータ１８とが作動され、適切な場合には、このペルティエ冷却素子２４の温度Ｔ−ペルティエ(Temperatur T-Peltier)が測定される。

図６は、発酵容器として三角フラスコ３０を有している、バイオガス測定のためのバイオリアクタ９としての発酵測定フラスコを示している。この三角フラスコ３０は、例えば、この三角フラスコ３０に挿入されるガラスのコーン３１のための接続エッジで標準的な研磨面(Schliff)ＮＳ４５を備えた５００ｍｌの容器であってもよい。このガラスのコーン３１は、バイオガスリアクタ９を不活性ガスで洗浄するための窒素気体化弁(Stickstoff-Begasungsventil)３２を有している。ガラスのコーン３１の起立している部分は、接続弁３３を介して、水釣合い容器(Wasserausgleichgefaess)３４の中に配置されている目盛りの付された(skalierten)気体収集測定フラスコ３５に接続されている。この目盛りの付された気体収集測定フラスコ３５と接続バルブ部分３３との接続面の標準的な研磨面ＮＳ１９により耐ガスすなわち気密の接続が保障される。目盛りの付された気体収集フラスコ３５の中に蓄積したガスは、気体上昇パイプ３６と通気バルブ３７とを介してガス量計２に放出される。

目盛りの付された気体収集フラスコ３５は、水出口開口３８を有している。

さらに、サンプリングのための隔膜３９が、三角フラスコ３０に設けられている。

バイオリアクタ９が動作を開始され、接続弁３３と通気弁３７とが開かれた後に、気体収集フラスコ３５は、水出口開口３８を介して、水釣合い容器３４の中に位置している水で満たされる。

嫌気性の試験条件を設定するために、窒素が窒素気体化弁３２を介して三角フラスコ３０の中に位置しているバイオマスの中に導かれる。窒素は、バイオガスリアクタ９から気体上昇パイプ３６と通気弁３７とを通って、逃げることができる。気体化弁３２と、通気弁３７とは、引き続いて閉じられ、ガス測定が開始される。この場合、前記通気弁は、ガス量計に接続され、連続したガス測定のために再び開かれる。

バイオガス測定装置で用いられるガス量計のためのハウジングの斜視図である。 バイオリアクタに接続されたガス量計の図である。 測定操作の流れ制御のフローチャートである。 バイオリアクタのための攪拌機の図である。 本発明による、バイオガスの容積を測定するためのバイオガス測定装置の個々のサブ組立体の概略図である。 バイオリアクタとしての発酵測定フラスコの例示的な実施形態の図である。

Claims (19)

1. バイオガス測定装置であって、
   バイオリアクタ（９）と、
   このバイオリアクタ（９）にバイオガスのためのガス導管（１１）を介して連通して接続され、
   ハウジング（１）内で規定された測定容積（ＶＲＥＦ）を有する測定チャンバ（３）と、
   ガス入口弁（１２）により制御される、前記測定チャンバ（３）内へのガス入口（５）と、
   ガス出口弁（１４）により制御される、前記測定チャンバ（３）からのガス出口（６）と、
   大気圧（Ｐａ）を検出するための圧力センサ（１５）と、
   前記測定チャンバ（３）内のガス圧と、前記大気圧（Ｐａ）あるいは現在のシステム圧力（Ｐ２）との間の差圧（ｄＰ）を検出するための、前記測定チャンバ（３）と連絡している差圧センサ（８）と、
   前記バイオガス測定装置を制御し、連続的な測定サイクルのガス量計（２）により測定されるガスの容積（ΔＶ）に応じて前記バイオリアクタ内で発生されたガスの容積（Ｖ）を決定する、測定、制御、及び評価ユニットであって、各測定サイクルに対して、
   ｆ）前記ガス入口弁（１２）を開くことによりガス量を前記測定チャンバ（３）に、規定された閾ガス圧に達するまで導入する工程と、
   ｇ）規定された閾ガス圧に達した場合に、前記ガス入口弁（１２）を閉じる工程と、
   ｈ）前記測定チャンバ（３）内の温度（Ｔ１）を測定する工程と、
   ｉ）膨張時間の間、前記ガス出口弁（１４）を開く工程と、
   ｊ）前記ガス出口弁（１４）を閉じる工程と、を有する、測定、制御、及び評価ユニットと、を有するガス量計（２）と、を具備するバイオガス測定装置において、
   前記バイオリアクタ（９）は、外部に気密に閉鎖され、この結果、前記バイオリアクタ（９）内で発生された全ての前記ガスの容積が、前記ガス量計（２）の測定チャンバ（３）により検出されることができ、
   攪拌機（１０）が、前記バイオリアクタ内に気密に案内されており、
   冷却要素が、前記バイオガスのためのガス導管（１１）に設けられ、
   前記バイオガス測定装置を制御するための前記測定、制御、及び評価ユニットは、凝縮により前記バイオガス内の水蒸気濃度を減少させるために前記冷却要素が作動され、測定サイクルの前記測定されたガスの容積（ΔＶ）は、標準状態に規格化されるように、デザインされていることを特徴とするバイオガス測定装置。
2. 前記測定、制御、及び評価ユニットは、前記ガス出口弁（１４）を閉じて待機段階の後に、現在のシステム圧（Ｐ２）を測定し、この現在のシステム圧（Ｐ２）に対して、続く測定サイクルのための前記規定された閾ガス圧を適合させるようにデザインされていることを特徴とする請求項１に記載のバイオガス測定装置。
3. 前記規定された閾ガス圧は、現在のシステム圧（Ｐ２）のおよそ２ｈＰａ上であることを特徴とする請求項２に記載のバイオガス測定装置。
4. 前記ガス量計（２）のハウジング（１）の熱容量は、測定される前記ガスの熱容量よりもはるかに大きく、このハウジング（１）の質量は、前記測定チャンバ（３）により受容されることができるガスの質量よりもはるかに大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載のバイオガス測定装置。
5. 前記ガス量計（２）の測定チャンバ（３）は、スチールウールで充填されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載のバイオガス測定装置。
6. 洗浄ガス、特に窒素（Ｎ２）を導入するために、洗浄ガス弁により制御される、前記ガス量計（２）の測定チャンバ（３）の洗浄ガス入口により特徴付けられる請求項１乃至５の請求項のいずれか１に係るバイオガス測定装置。
7. 前記測定、制御、及び評価ユニットは、次の式に従って、
   

   

   前記大気圧（Ｐａ）と、差圧（ｄＰ）と、規定された測定容積（ＶＲＥＦ）とから測定サイクルの前記ガスの容積（ΔＶ）を決定するためにデザインされていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載のバイオガス測定装置。
8. 前記測定、制御、及び評価ユニットは、前記規定された閾ガス圧に到達した場合の前記測定チャンバ（３）内の測定される圧力Ｐ１により、次の関係に従って、
   

   

   標準圧力（Ｐｎ）、好ましくはＰｎ＝１０１３．２５ｈＰａに対して規格化されたガスの容積（ΔＶｎ）を計算するためにデザインされていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１に記載のバイオガス測定装置。
9. 前記測定チャンバ（３）の温度（Ｔ１）を測定するように、前記ガス量計（２）のハウジング（１）に接続されている温度センサにより特徴付けられる請求項１乃至８のいずれか１に記載のバイオガス測定装置。
10. 前記測定、制御、及び評価ユニットは、前記測定チャンバ（３）の測定される温度（Ｔ１）により、次の関係に従って、
    

    

    標準温度（Ｔｎ）、好ましくは、Ｔｎ＝２０℃に対して規格化されたガスの容積（ΔＶｎ）を計算するためにデザインされていることを特徴とする請求項９に記載のバイオガス測定装置。
11. 前記測定、制御、及び評価ユニットは、連続した複数の測定サイクルで決定される前記ガスの容積（ΔＶ）を積分するためにデザインされていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１に記載のバイオガス測定装置。
12. 前記攪拌機（１０）は、バイオガスと洗浄ガスとのための一体化された複数のガス導管（１１、１３）と、これらガス導管（１１、１３）のための側方の複数の孔（２２、２３）と攪拌シャフト（２０）を受け入れるための中央の穴とを備えた円筒状の本体（１６）と、この本体（１６）に気密に受け入れられている攪拌モータ（１８）と、前記バイオリアクタ（９）に気密に設置するためのこの本体（１６）のコーン（２１）と、を有し、前記バイオガスのためのガス導管（１１、１３）は、前記ガス量計に接続されていることを特徴とする請求項１１に記載のバイオガス測定装置。
13. ガス供給導管（１３）が、中空のシャフトとしてデザインされている前記攪拌シャフト（２０）を通して前記バイオリアクタ（９）の中に導かれていることを特徴とする請求項１２に記載のガス量計（２）。
14. 前記冷却要素は、ペルティエ冷却素子（２４）であることを特徴とする請求項１２又は１３に記載のガス量計（２）。
15. 複数の測定サイクルで、前記全ての請求項のいずれか１に記載のバイオガス測定装置により、バイオリアクタ（９）内で発生されたバイオガスの容積を測定するための方法であって、各測定サイクルに対して、
    ｈ）前記ガス入口弁（１２）を開くことにより、規定された閾ガス圧に達するまで、前記測定チャンバ（３）内にバイオガスのガス量を導入することと、
    ｉ）規定された閾ガス圧に達した場合、前記ガス入口弁（１２）を閉じることと、
    ｊ）前記測定チャンバ（３）内の温度（Ｔ１）を測定することと、
    ｋ）膨張時間の間、前記ガス出口弁（１４）を開くことと、
    ｌ）前記ガス出口弁（１４）を閉じることと、の工程により特徴付けられる、方法において、
    凝縮により前記バイオガス内の水蒸気濃度を減少させるために、前記冷却要素により、このバイオガスのためのガス導管（１１）内のバイオガスを冷却し、
    測定サイクルの前記測定されたガスの容積（ΔＶ）を標準状態に対して規格化することにより特徴付けられる方法。
16. 前記ガス出口弁（１４）を閉じることと待機段階との後で、現在のシステム圧（Ｐ２）を測定し、この現在のシステム圧（Ｐ２）に対して続く測定サイクルのための前記規定された閾ガス圧を適合させることにより特徴付けられる請求項１５に記載の方法。
17. 前記測定、制御、及び評価ユニットは、前記大気圧（Ｐａ）と、差圧（ｄＰ）と、規定された測定容積（ＶＲＥＦ）とから、次の式
    

    

    に従って、測定サイクルの前記ガスの容積（ΔＶ）を決定するためにデザインされていることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の方法。
18. 前記規定された閾ガス圧に達した場合、前記測定チャンバ（３）内の測定される圧力Ｐ１により、次の関係
    

    

    に従って、標準圧力（Ｐｎ）好ましくはＰｎ＝１０１３．２５ｈＰａに対して規格化されたガスの容積（ΔＶｎ）を計算することにより特徴付けられる請求項１５乃至１７のいずれか１に記載の方法。
19. 前記測定チャンバ（３）の測定される温度（Ｔ１）により、次の関係
    

    

    に従って、標準温度（Ｔｎ）好ましくはＴｎ＝２０℃に対して規格化されたガスの容積（ΔＶ）を計算することにより特徴付けられる請求項１５乃至１８のいずれか１に記載の方法。

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