Eines der häufig in Biogasanlagen auftretenden Probleme ist die Instabilität des anaeroben Fermentationsprozesses durch die Akkumulation von spezifischen mikrobiellen Metaboliten, die mit den bisher vorhandenen Möglichkeiten der Prozessüberwachung und -steuerung oftmals nicht bewältigt und ausgeglichen werden kann. Im Rahmen einer Forschungskooperation zwischen dem Kurt-Schwabe-Institut (KSI) und dem IASP sollte daher ein innovatives komplexes Verfahren zur Regelung von Biogasanlagen entwickelt werden. Die Verfahrensbasis besteht in der Online-Überwachung der Konzentration des in der Flüssigphase von Biogasreaktoren gelösten Wasserstoffs. Wasserstoff gelöst stellt ein Schlüsselintermediat im mikrobiellen Stoffwechsel des Biogasprozesses dar. Das Überschreiten einer günstigen H2-Grenzkonzentration ist ein erster möglicher Schritt in einer Kette von Reaktionen und wechselseitigen Beeinflussungen, der letztendlich zu einer Anreicherung von flüchtigen organischen Säuren in Biogasanlagen führt. Die Vermeidung einer "Versäuerung" kann zu einem hohen Betriebsaufwand und damit zum Anlagenbetrieb unterhalb der möglichen Leistungsgrenze führen. Der Parameter H2 gelöst beschreibt die aktuelle Belastung des Reaktors mit hoher Sensitivität. Folglich sollte ein robuster, langzeitstabiler Wasserstoffsensor entwickelt werden, der in der Flüssigphase von Biogasanlagen eingesetzt werden kann. Bei Sensoreinsatz sollte es möglich sein, Biogas-Reaktoren effektiver zu betreiben und Prozessausfälle zu vermeiden. Während sich der Projektpartner KSI mit der technischen Entwicklung des Sensors befasste, bestand die Aufgabe des IASP darin, den entwickelten Sensor in einer dafür konzipierten Biogas-Laboranlage zu erproben.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Wasserstoffkonzentration als Parameter zur Indikation vorhandener kritischer Zustände des Biogassystems geeignet ist, wenn er im festen Verhältnis zum Wasserstoffpartialdruck in der Flüssigphase steht. Störungen des Biogasprozesses, beispielsweise durch Substratzufuhr, führten innerhalb weniger Minuten zum Ansteigen des H2-Partialdruckes im Gärmedium. Eine Erhöhung des H2-Partialdruckes im Biogas war dagegen erst nach mehr als 8 Stunden messbar. Das Hauptziel des Projektes, die Entwicklung eines Sensors für die Messung des Wasserstoff-Partialdruckes in flüssigen biogenen Medien, wurde erreicht. Der Sensor hatte die für das Monitoring in Biogasanlagen notwendige Sensitivität und Selektivität. Im Rahmen von weiteren Arbeiten soll nun die Stabilität des Sensors optimiert werden.
Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR), Gülzow
Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik e. V. Meinsberg
Ingenieurbüro für Technologieentwicklung, Elektronik und Bioanalytik, Berlin
Dipl.-Ing. Emma Petersson
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