Entwicklung und Erprobung eines Online-Messsystems für Biogasanlagen auf Basis der Nah-Infrarot-Reflexionsspektroskopie (NIRS)

Abstract

Due to the EU?s and Germany?s political goals of expanding the use of renewable energy sources, the utilization of biomass for energy supply is expected to continue growing in the coming years. Consequently, the efficiency of biogas plants will have to be improved further. This applies both to raising the energy yield from the input materials and exploiting the full potential of the technical installations. During the four phases of the anaerobic digestion (AD) process, volatile fatty acids such as acetic and propionic acids are produced as intermediates. These compounds can be used as indicators of the function and stability of the digestion process. So far, volatile fatty acids have to be determined by sampling the digester content and analyzing the sample in the laboratory (e.g., by gas chromatography). It is thought that by using near-infrared-reflection spectroscopy (NIRS) for online measuring, the management and control of biogas plants could be facilitated, considerably. This was to be investigated in a project funded by the Baden-Württemberg Ministry of Rural Areas and Consumer Protection within the ?research platform on bioenergy? Baden-Württemberg?. In this study, a NIR-measurement system was calibrated for determining the concentration of volatile fatty acids in two semi-continuously operated, bench-scale digesters at mesophilic and thermophilic temperature level. For each of the two digesters, one NIR-sensor was calibrated for acetic and propionic acid, and a second one for total acid equivalents. The experimental studies were divided into three stages. The chapters of this research work consist of three peer-reviewed papers that describe these experiments.

Aufgrund der Anforderungen und Ziele der EU und Deutschlands am Ausbau regenerativer Energiequellen wird der Anteil der Energieerzeugung aus Biomasse in den nächsten Jahren deutlich zunehmen. Damit ist auch die Forderung nach einer kontinuierlichen Effizienzsteigerung der Biogasanlagen verbunden. Das entspricht einer verbesserten energetischen Ausnutzung der eingesetzten Substrate und der gezielten Ausschöpfung des technischen Potenzials von Biogasanlagen. Flüchtige Fettsäuren wie Essig- und Propionsäure sind Zwischenprodukte, die im Verlauf des vierstufigen anaeroben Abbauprozesses entstehen. Sie sind als Indikatoren für eine sichere Funktion der biologischen Prozessabläufe und für die Stabilität des Verfahrens nutzbar. Da die Bestimmung der Konzentrationen an Fettsäuren im Biogasfermenter bisher nur nach Probenahme und chemischer Analyse der Substrate mittels Gas-Chromatographie möglich war, könnte durch eine Online-Datenerfassung über die Nah-Infrarot-Reflexionsspektroskopie (NIRS) eine wesentliche Verbesserung des Betriebes von Biogasanlagen bis hin zu einer Regelung ermöglicht werden. Dies wurde im Rahmen der ?Zukunftsoffensive IV ? Bio-energie-Forschungsplattform Baden-Württemberg? in einem durch das Ministerium für Ländlichen Raum und Verbraucherschutz Baden-Württemberg finanzierten Forschungsprojektes untersucht. Die Kalibration eines NIR-Messsystems auf den Gehalt an flüchtigen Fettsäuren erfolgte im Rahmen dieser Arbeit an zwei semikontinuierlich betriebenen, halbtechnischen Biogasfermentern (mesophile und thermophile Betriebsweise. Es wurde jeweils ein NIR-Sensor pro Fermenter auf Essig- und Propionsäure, sowie auf das Gesamtsäureäquivalent kalibriert. Im Forschungsvorhaben konnten drei größere Versuchsabschnitte realisiert werden, die in der vorliegenden Arbeit in Form von referierten Artikeln repräsentiert sind.