Prof. Dr.-Ing. Matthias Kraume
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31.12.2023

Im Teilprojekt wurde eine photooptische Endoskoptechnik eingesetzt, um den granulometrischen Zustand von Gärsubstraten zu vermessen. Diese Messmethode erlaubt die in-situ und online Vermessung von Fasergrößen- und formverteilungen im Fermenter. Zudem wurde eine kostengünstige Messapparatur auf Basis der Heißfilmanemometrie für den Betrieb in industriellen Umgebungen konstruiert, mit welcher Stagnationsbereiche im Fermenter online erkannt werden können. Überdies wurden mehrere Messmethoden zur quantitativen Analyse von Suspensionsprozessen entwickelt: Für intransparente Feststoffe wurde eine Software auf Basis der Particle-Image-Velocimetry (PIV) in Python erstellt, anhand derer Suspendierzustände mittels der Partikelbewegung am Kesselboden bestimmt werden können. Zudem wurde eine neuartige Messmethode auf Basis brechungsindex-angepasster Fest/flüssig-Systeme entwickelt, mit der es erstmals möglich ist, lokal aufgelöste Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssig- sowie Feststoffphase sowie Feststoffanteilen beim Suspendieren optisch zu vermessen. Hierfür kam eine laser-optische Messmethodik zum Einsatz, wobei Flüssigkeitsgeschwindigkeiten per PIV und Partikelgeschwindigkeiten per Particle Tracking-Velocimetry ermittelt wurden. Die Methodik wurde für verschiedene Parameterstudien, etwa bzgl. des Feststoffanteils und nicht-Newtonscher Rheologie, eingesetzt. Die Untersuchungen mündeten in Korrelationen, die die Ableitung kritischer Rührbetriebsparameter zur Vermeidung von Sinkschichten in Abhängigkeit nicht-Newtonscher Rheologie ermöglichen. Neben den experimentellen Arbeiten wurden verschiedene Mehrphasenmodelle, konkret Euler-Euler-Ansätze, getestet. Es ergab sich eine gute quantitative Übereinstimmung sowohl der Flüssig- als auch Feststoffströmung unter laminaren sowie turbulenten Strömungsbedingungen.

Im Rahmen des Vorhabens Sens-O-Mix soll eine effiziente und wirtschaftliche Systemlösung für einen flexiblen Anlagenbetrieb zur Biogaserzeugung entwickelt und unter Praxisbedingungen demonstriert werden. Schwerpunkt der Entwicklungen ist die Realisierung eines automatisierten, an die flexible Fütterung angepassten Rührbetriebes zur Ausbildung definierter fluiddynamischer Prozessbedingungen im Fermenter als Grundlage einer optimierten Biogaserzeugung. Zielstellung ist es, das Verfahren zur Biogaserzeugung einschließlich der Prozessautomatisierung so zu optimieren und weiterzuentwickeln, dass stündlich wechselnden Anforderungen bezüglich der Biogasmenge entsprochen werden kann. Zielstellungen des TU Teilprojektes • Weiterentwicklung und Nutzung von Rheometern zur Vermessung viskoelastischer Fließeigenschaften von Gärsubstraten sowie Erweiterung bestehender Modelle zur Quantifizierung dieser • Ableitung physikalischer Zusammenhänge zwischen viskoelastischen Fließeigenschaften und Substratzusammensetzung (granulometrischer Zustand) mithilfe photooptischer Messtechniken • Experimentelle Strömungsmessung zur Ableitung von Regeln für eine effiziente Suspendierung bzw. Vermeidung von Sinkschichten • Entwicklung von CFD-Mehrphasenmodellen (fest/flüssig) unter Beachtung viskoelastischer Fließeigenschaften von Gärsubstrat auf Basis experimenteller Untersuchungen •Bewertung des Mischprozesses bei variierenden Substrateigenschaften mittels numerischer Strömungssimulation und Ableitung von Maßnahmen zur Ausbildung definierter Strömungsverhältnisse und hinreichender Suspendierung • Vergleich der mittels Strömungssimulation erzielten Ergebnisse mit den Aussagen des Maschinellen Lernens (Teilvorhaben 1).