WO2006063942A1

WO2006063942A1 - Verfahren zur steuerung einer fermentation eines substrats und entsprechende vorrichtung

Info

Publication number: WO2006063942A1
Application number: PCT/EP2005/056394
Authority: WO
Inventors: Gerhard Draxler; Richard Zlabinger
Original assignee: Endress+Hauser Ges.M.B.H.
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2006-06-22
Also published as: DE102004061455A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer Fermentation eines Substrats (2). Die Erfindung beinhaltet, dass mindestens der Wasserstoffpartialdruck im Substrat (2) bestimmt wird, und dass mindestens anhand des bestimmten Wasserstoffpartialdrucks die Fermentation gesteuert wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine entsprechende Vorrichtung zur Fermentation.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Steuerung einer Fermentation eines Substrats und entsprechende Vorrichtung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer Fermentation eines Substrats. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Fermentation eines Substrats. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf die Verwaltung der Rohstoffe und, im Hinblick auf die Produktion von Methan, auf die Selektion der Rohstoffe und der dosierten und zeitgesteuerten Beimengung der Rohstoffe zur Steuerung und Optimierung des Fermentationsprozesses. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Optimierung des Fermentationsprozesses, zur Überwachung des optimierten Prozesses und zur Steuerung der optimalen Prozesstemperatur. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung der Trockensubstanz zum Zweck der Optimierung der Gasausbeute des Fermentationsprozesses.

[0002] Nachhaltige Energiegewinnung ist aufgrund begrenzter Ressourcen bei den wesentlichen Energierohstoffen ein aktuelles Thema. Biogasanlagen als eine nachhaltige Energiequelle finden in der Landwirtschaft, bei Entsorgungsbetrieben und in Kommunen immer stärkeres Interesse. Solche Anlagen produzieren aus Pflanzen, industriellem biogenen Überschuss und biogenem Abfall ein Gasgemisch, welches sich durch den Anteil von Methan vorzüglich zur Produktion elektrischer und thermischer Energie eignet. Die Forschung arbeitet intensiv am praktischen Einsatz von Biogas in Brennstoffzellen. Der verbleibende Reststoff der Anlage kann als hochwertiger Dünger eingesetzt werden. Die Errichtung von Biogasanlagen entspricht dem Bestreben, die Kyoto-Protokolle zur Reduzierung der Umweltbelastung (CO -Ausstoss) zu erfüllen, und hat damit weltpolitische Bedeutung. Darüber hinaus werden in ländlichen Bereichen dauerhaft Arbeitsplätze geschaffen und dadurch Abwanderung verhindert. Durch einen erneut geschaffenen landwirtschaftlichen Rächenbedarf wird auch die für den Tourismus so wichtige Landschaftspflege sichergestellt. Ein weiterer volkswirtschaftlicher Vorteil ist die Dezentralisierung der Energiequellen, welche die Steigerung der Versorgungssicherheit bewirkt. Aufgrund der aller genannten Vorteile sind Biogasanlagen auch für allgemeine Kapitalanleger äußerst attraktiv.

[0003] Der Fermentationsprozess in Biogasanlagen läuft üblicherweise unter Luft-

(anerob) und Lichtausschluss. Der Prozess läuft in vier Phasen ab, wobei es auf die Art und Bauweise der Anlage ankommt, ob alle vier Phasen in einem Behälter (Fermenter) oder in mehreren Behältern geschehen. Die Gesamtdauer aller Prozessphasen beträgt ca. 60 Tage, wobei die drei ersten Phasen ca. 5 bis 15 Tage und die vierte Phase der Methanogenese ca. 15 bis 45 Tag umfasst.

[0004] In der ersten Phase der Hydrolyse werden die biogenen Stoffe, bestehend aus Kohlehydraten, Eiweiß und Fetten, umgewandelt in Glukose, Cellbiose, Pentosen, Aminosäuren, Dipeptide, Glyzerin und Fettsäuren. Bereits in dieser Phase kann auch, durch zu hohen Fettstoffanteil, ein zu hoher Anteil an Propionsäure gebildet werden. Diese leitet eine Versäuerung des gesamten Substrates ein. Diese Versäuerung ist aber zu diesem Zeitpunkt nicht mit einer pH-Sonde messbar.

[0005] In der zweiten Phase, der Acidogenese, erfolgt eine weitere Umwandlung in Pyruvate, NH 4 , Ethanol und flüchtige Fettsäuren. Weiters werden noch Propiate,

Butyrate, Ethanol und Lactat als Stoffwechselprodukt erzielt.

[0006] In der dritten Phase, der Acetogenese, produziert der Stoffwechsel H , CO , Acetat und Methanol. Methanbakterien benötigen den gelösten Wasserstoff, um Methan zu produzieren. Diese Bakterien sind aber in ihren Milieuansprüchen sehr empfindlich. Wenn das geforderte Milieu nicht vorgefunden wird, dann erfolgt die Methanproduktion nur zögerlich oder gar nicht.

[0007] Nachteilig für den Betreiber ist jedoch die derzeitige Unsicherheit in der Prozessführung. In der Praxis werden im Fermentationsprozess nur Parameter wie beispielsweise Temperatur und Füllstand kontrolliert. Die Erfolgskontrolle erfolgt erst nach Beendigung des Prozesses durch die Analyse des produzierten Gases. Diese Methode erlaubt zwar Rückschlüsse auf den Prozess, ist aber zur Beeinflussung des Prozesses nicht geeignet, da sie erst nachträglich stattfindet. Ein direktes Eingreifen ist vor allem deshalb wichtig, weil sich während des Prozesses Milieuverschiebungen durch unterschiedliche Rohstoffzuführung bzw. Rohstoffzusammensetzung ergeben und diese ausgeglichen werden sollten. Ein sichtbares Zeichen schlechter Milieubedingungen ist z.B. Schaumentwicklung in Fermentern oder reduzierte Methangasgewinnung durch eine sich entwickelte Versäuerung des Substrates. Der natürliche Prozessverlauf wird dadurch bis zum Abbruch gestört, so dass auch die Produktion von Energie unterbrochen wird. Zum Einkommensverlust addiert sich dabei eine kostenintensive Wiederherstellung des Prozessmilieus. In der bisherigen Praxis gab es noch kein Verfahren oder eine Kombination von Verfahren, daraus resultierend auch keine Vorrichtung mit der eine effektive Steuerung des Fermentationsprozesses möglich ist.

[0008] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur zeitnahen Steuerung der Biogasfermentation und eine entsprechende gesteuerte Vorrichtung anzugeben.

[0009] Die Erfindung löst die Aufgabe bezüglich des Verfahrens dadurch, dass mindestens der Wasserstoffpartialdruck im Substrat bestimmt wird, und dass mindestens anhand des bestimmten Wasserstoffpartialdrucks die Fermentation gesteuert wird. Insbesondere handelt es sich um die Fermentation von Substanzen zur Gewinnung von Biogas. Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt somit darin, dass keine besonderen Ausgestaltungen der Fermentierungsanlage erforderlich sind, da der Wasserstoffpartialdruck, ein natürlich aus dem Verlauf des Prozesses entstehende Eigenschaft, als Steuergröße verwendet wird, um damit anzuzeigen, wenn entsprechendes Eingreifen in den Fermentationsprozess erforderlich ist. Der Wasserstoffpartialdruck ist eine Kombination aus dem pH- Wert - des negativen dekadischen Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration - und dem Redoxpotential. Die damit verbundene rH-Skala hat 42 Einheiten und der Neutralpunkt liegt bei rH 28. Der Wasserstoffpartialdruck ergibt sich aus der Redox-Spannung, dem pH- Wert und über die Nernst-Spannung aus der Temperatur des zu fermentierenden Substrats. Die Messung des Wasserstoffpartialdrucks erfolgt mit einer Redox- und einer pH-Elektrode und besteht in Folgendem aus zwei Messsonden, einem Messumformer als Signalübermittler zur Recheneinheit, welche die nötigen Vergleichsberechnungen mit der Datenbank durchführt. Das Eindringen von Wasserstoff aus der Umgebung wird prinzipiell durch das Erfordernis verhindert, dass Fermentationsanlagen dicht sein müssen, da das Methan im gasförmigen zustand auftritt und in der Vermischung mit Luftsauerstoff hochexplosiv ist. Weiters ist das Methangas ein gewünschten Endprodukt, so dass ein Entweichen verhindert werden muss.

[0010] Besonders in der dritten Phase der Fermentation, der Acetogenese, ist der Einsatz der Wasserstoffpartialdruckmessung vorteilhaft. Dieser Druck entsteht proportional dem gelösten Wasserstoff. Er ist ein vorteilhafter Indikator: Ist der Wert zu hoch, ist dies die erste Bestätigung eines gestörten Prozesses. Methanbakterien benötigen den gelösten Wasserstoff, um Methan zu produzieren. Diese Bakterien sind aber in ihren Milieuansprüchen sehr sensibel. Das Ansteigen des Wasserstoffpartialdruckes zeigt ein Übergewicht einer oder mehrerer Stoffwechselprodukte. Wenn dadurch das geforderte Milieugleichgewicht nicht vorgefunden wird, dann erfolgt die Methanproduktion nur zögerlich oder gar nicht. Daher wird das Stoffwechselprodukt gelöster Wasserstoff nur zögerlich oder gar nicht verarbeitet. Deshalb ist der ansteigende Wasserstoffpartialdruck der erste sichtbare Indikator im Prozess und dient als Kriterium, um rechtzeitig optimierend in den Prozess eingreifen zu können.

[0011] Anhand des gemessenen Wasserstoffpartialdrucks und in Kombination mit den Re- doxwerten, der Prozesstemperatur, der pH- Wert-Entwicklung und der organischen Trockensubstanz ist es möglich, dass z.B. stabilisierende Rohstoffe zugeführt werden. Weiterhin kann das weitere Verhalten des Prozesses berechnet werden, so dass Empfehlungen für die Zuführchargen oder die Zuführzeitpunkte möglich sind. Ggf. kann auch ein Abbruch der Fermentation vorgeschlagen werden, so dass die zu fermentierende Substanz der Anlage früh genug entnommen oder durch Verdünnung ausgezehrt werden kann.

[0012] Die Resultate der Messungen zeigen wichtige Kenngrößen während der ver- schiedenen Phasen des Prozessverlaufs. Die einzelnen Kenngrößen verändern sich während der Prozessphasen, aber es besteht ein gleich bleibendes Schema der Kenngrößen zueinander, um in den einzelnen Phasen ein optimales Milieu zu erhalten.

[0013] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass mindestens eine der Messgrößen pH- Wert, Redoxwert, Temperatur oder organische Trockensubstanz im Substrat zusätzlich bestimmt wird, und dass mindestens anhand des bestimmten Wasserstoffpartialdrucks und der zusätzlich bestimmten Messgröße die Fermentation gesteuert wird. Aus den bestimmten oder entsprechend ausgewiesenen Größen kann auf den Fermentationsprozess geschlossen werden, indem unterschiedliche Zustände getrennt betrachtet werden. Da es sich bei der Biogasfermentation um einen biologischen Prozess handelt, ergeben sich nicht - wie z.B. bei einem normalen Industrieprozess - sauber getrennte Phasen. Daher müssen mehrere Messgrößen mit einer hohen Anzahl von vergleichbaren Größen herangezogen werden, um zu bestimmen, welche Fermentationsphase gerade vorliegt. In der Hydrolysephase sinkt der pH- Wert und der Wasserstoffpartialdruck steigt an. In der Methanogenese steigt der pH- Wert in die neutrale Zone und der Wasserstoffpartialdruck sinkt. Je nach Phase sinkt oder steigt also der Wasserstoffpartialdruck resp. der pH- Wert, weshalb eine Steuerung allein aufgrund einer bestimmten/gemessenen Messgröße nicht ausreichend durchgeführt werden kann.

[0014] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die bestimmten Messgrößen (Wasserstoffpartialdruck, pH- Wert und/oder Redoxwert und/ oder Temperatur und/oder organischen Trockensubstanz) mit abgelegten Sollwerten und/oder mit abgelegten funktionellen Zusammenhängen zwischen den Messgrößen verglichen werden, und dass anhand des Vergleiches / der Vergleiche die Fermentation gesteuert wird. Es wird also quasi auf eine Datenbank zugegriffen, in welcher die Zusammenhänge der gemessenen Größen und z.B. auch optimale Milieubedingungen hinterlegt sind. Vorteilhafterweise sind dort auch die geeigneten Änderungen der Stellgrößen, z.B. Einstellung der Temperatur, Verdünnung der zu fermentierenden Substanz, Zugabe von Substanzen etc. abgespeichert. Es sollten also vorteilhafterweise nicht nur die Sollwerte hinterlegt worden sein, sondern auch die entsprechend zu ändernden Stellgrößen. Die Steuerung passiert auf den Vergleich von Anlageparametern mit Daten der Datenbank. Aufgrund der komplexen Vorgänge während der Fermentation ist eine Einzelmessung für die Steuerung nicht ausreichend. So sind ggf. auch nicht einzelne Sollwerte zu betrachten, sondern das ganze Geflecht aus den einzelnen Messgrößen muss in Betracht werden. Die funktionellen Zusammenhänge der Messgrößen ermöglichen es, auf die vorherrschende Phase bei der Fermentation zu schließen und somit die Abweichung von der optimalen Milieubedingung zu erkennen.

[0015] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass das Verhalten der Messgrößen (Wasserstoffpartialdruck, pH- Wert und/oder Redoxwert und/oder Temperatur und/oder organischen Trockensubstanz) in Abhängigkeit von der Steuerung der Fermentation und/oder die Sollwerte der Messgrößen und/oder die funktionellen Zusammenhänge zwischen den Messgrößen eingelernt wird/werden. Das Verhalten der Messgrößen in Abhängigkeit von der Steuerung bedeutet also das Reagieren der Messgrößen auf die Steuerung. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil eine Steuerung bei den unterschiedlichen Messgrößen ggf. gegenläufige Reaktionen auslöst, so dass also wieder das Gesamtbild der Fermentation, wie es durch die einzelnen Messgrößen gegeben wird, zu betrachten ist. Diese Ausgestaltung ist dann vorteilhaft, wenn funktionellen Zusammenhänge bekannt, aber gleitend sind und wenn diese von speziellen Rahmenbedingungen abhängig sind. Daher wird der Zusammenhang zwischen den Messgrößen, das Ändern der Stellgrößen und die Rektion des Systems darauf eingelernt. Dies erlaubt z.B. eine Interpolation in Verbindung mit anderen bekannten Zusammenhängen oder auch eine Extrapolation auf weitere Werte.

[0016] Stellgrößen für die Steuerung der Biogasfermentation sind beispielsweise die

Temperatur, welche einen direkten Einfluss auf die Aktivität der Bakterien hat oder die organische Zusammensetzung des zu fermentierenden Substrats (OTS), wobei diese durch eine Verdünnung oder die Zugabe von entsprechenden Substanzen verändert werden kann. Der pH- Wert lässt sich weiterhin durch die Dosierung von Chemikalien (z.B. NaOH oder Kalkmilch) einstellen. Es sind auch für die zur Beschickung der Fermentationsanlage zur Verfügung stehenden Substanzen (z.B. Obst, Getreide, Milchprodukte etc.) Kenngrößen abgelegt werden, über die Rate der Beschickung der Anlage in Bezug auf die Zeitdauer oder in Bezug auf die Menge Vergleichswerte errechnet.

[0017] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass die Fermentation mindestens anhand abgelegter Kenngrößen für Basis- oder Cosubstrate gesteuert wird. Die Ausgestaltung sieht also vor, dass alle Basis- oder Cosubstrate, die in den Fermenter gegeben werden, um das eigentliche Substrat zu erhalten, in Kenngrößen aufgeschlüsselt werden. Diese Kenngrößen beziehen sich besonders darauf, wie sie das Milieu der Fermentation in Hinsicht auf die Messgrößen beeinflussen, d.h. welche Wirkung sie auf die Fermentation haben. Die Ausgangs- oder Steuerstoffe werden also in Hinsicht auf ihre Wirkung aufgeschlüsselt. Dazu wird eine Datenbank erzeugt, über die es möglich ist, optimal in den Prozess einzugreifen.

[0018] Die Erfindung löst die Aufgabe bezüglich der Vorrichtung dadurch, dass mindestens eine erste Messstelle zur Bestimmung des Wasserstoffpartialdrucks im Substrat vorgesehen ist, und dass mindestens eine Steuerreinheit vorgesehen ist, welche mindestens anhand des gemessenen Wasserstoffpartialdrucks die Fermentation steuert. Es gibt in den bestehenden Anlagen unterschiedliche Systeme, z.B.: Vormischung - Fermenter - Endlager oder Vormischung - Vorfermentierung - Haupt- fermenter - Endlager. Weiterhin kann die Rohstoffzuführung kontinuierlich oder im Batch-Betrieb erfolgen. Darüber hinaus kann das Substrat in unterschiedlicher Dichte und Masse zugeführt werden. In der erfindungsgemäßen Anlage ist die Fermentation dadurch steuerbar, dass der Wasserstoffpartialdruck gemessen wird. Der Wasserstoff- partialdruck lässt sich aus dem pH- Wert, der Redox-Spannung und aus der Temperatur der zu fermentierenden Substanz bestimmen. Dazu lassen sich entsprechende Sonden zusammenschalten. Der rH-Wert als Maß für den Wasserstoffpartialdruck lässt sich auch in einer Recheneinheit aus den obigen Einzelwerten berechnen. Eine Formel hierfür lautet: [0019]

[0020] Dabei ist rH der zu berechnende Wasserstoffpartialdruck, pH ist der gemessene pH- Wert, E ist die gemessene Redox-Spannung und E ist die temperaturabhängige Nernst-Spannung.

[0021] Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass mindestens eine zweite Messstelle zur Bestimmung des pH- Werts und/oder des Redoxwerts und/ oder der Temperatur und/oder der organischen Trockensubstanz im Substrat vorgesehen ist. Die Steuereinheit ist mit dieser zweiten Messstelle bzw. mit weiteren Messstellen verbunden und empfängt von dort die bestimmten Messgrößen. Um genauere Aussagen über den Fermentationsprozess bzw. über die im Substrat herrschenden Milieubedingungen tätigen zu können, sind neben dem Wasserstoffpartialdruck weitere Größen erforderlich. Damit ist es dann auch möglich, zwischen den einzelnen Fermentationsphasen zu differenzieren und somit speziell auf die jeweils erforderlichen Milieubedingungen einzugehen. Daher werden von der Steuereinheit zur Steuerung der Fermentation die entsprechenden Messgrößen herangezogen.

[0022] Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass mindestens eine Speichereinheit vorgesehen ist, in welcher Sollwerte der Messgrößen (Wasserstoffpartialdruck, pH- Wert, Redoxpotential, Temperatur, organischen Trockensubstanz) und/oder funktionelle Zusammenhänge zwischen den Messgrößen abgelegt und/oder durch ein Einlernen ablegbar sind. Durch den Vergleich der gemessenen Werte mit den Sollwerten, bzw. mit einem Verlauf der Sollwerte lassen sich dann entsprechende Stellgrößen für das System ändern. Ein Einlernen ist deshalb sinnvoll, weil es sich um ein sehr komplexes System handelt, so dass das Optimum der Regel- und Stellgrößen ggf. erst eingelernt werden muss. Die Steuerung der Fermentation kann dabei automatisch erfolgen, es können jedoch auch Hinweise an den Benutzer gegeben werden, z.B. der Zeitpunkt des Hinzugebens von neuem Substrat oder z.B. auch der Vorschlag über die Zusammensetzung des Substrats. Mit den Sensoren wird also die gegebene Prozesssituation bestimmt. Die gemessenen Werte lassen sich dann mit gespeicherten Werten vergleichen, so dass also erkannt wird, ob ein passendes Milieu für die Fermentation gegeben ist. Ist dem nicht der Fall, so werden z.B. aus einem Rohstofflager Substrate ausgewählt und dem zu fermentierenden Substrat beigemischt oder es werden die Fermentationsbedingungen durch z.B. Änderung der Temperatur geändert. Bei kleinen und unkritischen Abweichungen ist es auch möglich, dass ein Hinweis an den Benutzer ausgegeben wird, dass z.B. das Futter der Tiere, welches einen Teil des Substrats in Form von Gülle produzieren, umzustellen wäre. Diese Vorgang von Messung, Kontrolle und Beimischung ist so lange zu wiederholen, bis optimale Prozessbedingungen für die Fermentation gegeben sind. Vorzugsweise ist eine Speichereinheit vorgesehen, in welcher biogene Daten zu Substraten hinterlegt sind, mit denen die Fermentationsanlage beschickt wird. Eine solche Datenbank erlaubt es, gezielt die Anlage mit Substraten zu beschicken, um das optimale Milieu zu halten oder zu erreichen. Für die Beschickung kann weiterhin der optimale Zeitpunkt und die optimale Quantität der einzelnen Substrate bestimmt werden.

[0023] Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass in der

Speichereinheit Kenngrößen für die für die Steuerung der Fermentation zur Verfügung stehenden Basis- oder Cosubstrate abgelegt sind. Alle Ausgangsstoffe, die zur Verfügung stehen, um das zu fermentierende Substrat zu bilden bzw. um die Fermentation zu steuern, werden also in Bezug auf ihre Eigenschaften und Wirkungen auf die Fermentation aufgeschlüsselt und als Kenngrößen in einer Speichereinheit für die Steuerung der Fermentation hinterlegt.

[0024] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

[0025] Fig. 1 : eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anlage zur Biogasfermentation, und

[0026] Fig. 2: ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

[0027] Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anlage zur Biofermentation. In einem Behälter 1 befindet sich das zu fermentierende Substrat 2. An die Steuereinheit 15 sind drei Messstellen 11, 12 und 13 angeschlossen. Die erste Messstelle 11 liefert den Wasser- stoffpartialdruck, die zweite Messstelle 12 den pH- Wert und die dritte Messstelle 13 den Redoxwert des zu fermentierenden Substrats 2. Diese Messgrößen ändern sich in Abhängigkeit von der Fermentationsphase, die sich gerade im Substrat 2 ereignet. Es handelt sich also nicht um konstante Größen, sondern sie ändern sich mit der Zeit. Der funktionelle Zusammenhang der Größen untereinander kann Aussagen darüber geben, welche Phase gerade gegeben ist und welches Prozessmilieu gerade optimal er- forderlich ist, so dass eine Steuerung in Hinsicht auf ein optimales und an die Phase angepasstes Milieu im Substrat 2 möglich ist. Die Steuereinheit 15 empfängt die Messdaten und anhand von in der Speichereinheit 16 abgelegten Werte bzw. von abgelegten funktionellen Zusammenhängen der Messgrößen untereinander wird eine passende Steuerung der Fermentation vorgenommen. Dies kann beispielsweise iterativ vorgenommen werden, bis der optimale Zustand gegeben ist. Im dargestellten Fall werden durch die Steuereinheit 15 die Ventile 21 - es kann sich auch um Pumpen handeln - gesteuert, über welche Steuerungssubstrate 20 zugeführt werden. Es können jedoch auch über ein Display Hinweise an einen Benutzer ausgegeben werden.

[0028] In der Fig. 2 ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens als

Russdiagramm dargestellt. Die Messdaten der Fermentationsanlage 100 werden von den Messstellen 11, 12 und 13 (es können jedoch auch weitere Messstellen vorgesehen sein) an die Steuereinheit 15 übergeben und dort mit den in der Datenbank 16 abgelegten Sollwerten für optimale Milieubedingungen verglichen.

[0029] Wird frisches Substrat über die Zuführung 102 - in dieser möge sich eine Kombination aus unterschiedlichen Basis- oder Costrubtraten befinden - dem Fermenter 100 zugeführt, so werden die biogenen Basisdaten des Substrates über die D ateneingabeeinheit 103 der Steuereinheit 15, bei der es sich beispielsweise um einen Rechner handelt, vermittelt. Die Steuereinheit 15 vergleicht die biogene Struktur des Substrates mit dem optimalen Milieu bzw. errechnet die wahrscheinliche Veränderung, die sich bei dem im Fermenter 100 befindlichen Substrat einstellen wird. Befindet sich der Prozess nicht mehr im Idealmilieu, so werden alternative Prozesse dargestellt und dem Benutzer zur Auswahl angeboten oder es wird automatisch die Steuerung vorgenommen, d.h. es werden Substrate hinzugefügt, es wird verdünnt oder die weitere Beschickung wird passend gesteuert. Es kann auch Substrat über die Entnahmeeinheit 104 aus der Fermentationsanlage 100 entnommen werden. Mittels der Anzeigeeinheit 107 wird die Entscheidung bzw. Empfehlung dem Bedienpersonal (APC Automatic Process Control) vermittelt. In Folge wird das neue Substrat über die Zufuhreinheit 102 gemäß der Dosierempfehlung zugeführt. Es ist jedoch auch möglich, dass die Anzeigeeinheit 107 und das Eingreifen des Bedienpersonals entfällt, so dass die Steuereinheit 15 selbstständig die Steuerung über die Schieber oder Pumpen 21 durchführt.

[0030] Wird durch die Messungen der Verfahrensparameter mit den Messstellen 11 und 12 festgestellt, dass das Verfahren das optimale Milieu verlässt, so wird ein alternativer Prozess S5 errechnet und mit der biogenen Struktur der in den Vorbehältern vorhandenen Substrate verglichen. Mittels des Displays 107 wird die Entscheidung bzw. Empfehlung dem Personal (APC) vermittelt. In Folge wird das neue Substrat gemäß der Dosierempfehlung zugeführt oder das Substrat im Fermenter verdünnt. Alternativ wird die Temperatur dem gewünschten optimalen Milieu entsprechend verändert (entsprechende Heiz- oder Kühleinheiten sind hier nicht dargestellt). Weiterhin kann ein Mischer - hier nicht dargestellt - zur Vermeidung von Schwimmdecken bzw. zum Absenken von Feststoffen eingeschaltet werden. Die Steuerung wird in diesem Beispiel dem Benutzer jeweils über die Anzeigeeinheit 107 vorgeschlagen. Es kann auch eine Abfolge von Schritten / Vorgaben vorgeschlagen werden, wenn beispielsweise nur die Kombination von mehreren Vorgehensweisen zum gewünschten Milieu führt. Es kann aber beispielsweise in kritischen Fällen auch der Abbruch der Fermentation vorgeschlagen werden, wenn die Steuervorgänge nicht mehr greifen könnten. Aus der Betrachtung eines gesamten Fermentationsprozesses kann auch eine Anweisung an den Benutzer erfolgen, dass das Ausgangssubstrat eine andere, ggf. auch eine spezielle Beschaffenheit aufweisen sollte. So ließen sich beispielsweise Fütterungshinweise ausgeben. Die Erfindung besteht also darin, dass überwacht wird, ob sich der Prozess im Idealmilieu befindet. Hat ein Übergang in einen Pufferbereich stattgefunden, so wird automatisch oder manuell gesteuert die Zuführung von Substrat oder von korrigierenden Substraten oder z.B. durch Verdünnung eine Rückführung in das Idealmilieu eingeleitet.

[0031] Bezugszeichenliste [0032]

Tabelle 1

104 Entnahmeeinheit 107 Anzeigeeinheit

Claims

Ansprüche

[0001] Verfahren zur Steuerung einer Fermentation eines Substrats (2), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der Wasserstoffpartialdruck im Substrat (2) bestimmt wird, und dass mindestens anhand des bestimmten Wasserstoffpar- tialdrucks die Fermentation gesteuert wird.

[0002] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der

Messgrößen pH- Wert, Redoxwert, Temperatur oder organische Trockensubstanz im Substrat (2) zusätzlich bestimmt wird, und dass mindestens anhand des bestimmten Wasserstoffpartialdrucks und der zusätzlich bestimmten Messgröße die Fermentation gesteuert wird.

[0003] Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmten

Messgrößen (Wasserstoffpartialdruck, pH- Wert und/oder Redoxwert und/oder Temperatur und/oder organischen Trockensubstanz) mit abgelegten Sollwerten und/oder mit abgelegten funktionellen Zusammenhängen zwischen den Messgrößen verglichen werden, und dass anhand des Vergleiches / der Vergleiche die Fermentation gesteuert wird.

[0004] Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das

Verhalten der Messgrößen (Wasserstoffpartialdruck, pH- Wert und/oder Redoxwert und/oder Temperatur und/oder organischen Trockensubstanz) in Abhängigkeit von der Steuerung der Fermentation und/oder die Sollwerte der Messgrößen und/oder die funktionellen Zusammenhänge zwischen den Messgrößen eingelernt wird/werden.

[0005] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fermentation mindestens anhand abgelegter Kenngrößen für Basis- oder Cosubstrate (20) gesteuert wird.

[0006] Vorrichtung (100) zur Fermentation eines Substrats (2), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Messstelle (11) zur Bestimmung des Wasserstoffpartialdrucks im Substrat (2) vorgesehen ist, und dass mindestens eine Steuereinheit (15) vorgesehen ist, welche mindestens anhand des gemessenen Wasserstoffpartialdrucks die Fermentation steuert.

[0007] Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zweite Messstelle (12) zur Bestimmung des pH- Werts und/oder des Redoxwerts und/oder der Temperatur und/oder der organischen Trockensubstanz im Substrat (2) vorgesehen ist.

[0008] Vorrichtung (100) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Speichereinheit (16) vorgesehen ist, in welcher Sollwerte der Messgrößen (Wasserstoffpartialdruck, pH- Wert, Redoxpotential, Temperatur, or- ganischen Trockensubstanz) und/oder funktionelle Zusammenhänge zwischen den Messgrößen abgelegt und/oder durch ein Einlernen ablegbar sind. Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Speichereinheit (16) Kenngrößen für die für die Steuerung der Fermentation zur Verfügung stehenden Basis- oder Cosubstrate (20) abgelegt sind.