Flow velocities and flow profiles in a thoroughly mixed biogas fermenter | Strömungsgeschwindigkeiten und Strömungsprofile in einem vollständig durchmischten Biogasfermenter

English. The mixing of fermentation substrate using mechanical stirrers is considered one of the most important processes in biogas-production. However, this is associated with high energy use, resulting in high costs for the operator of the biogas facility. Lately, the improvement of the stirrers as well as the stirring-management has been attracting more attention. Numerous scientific studies attempt to examine and specify the rheology, biology and flow velocities in the fermenter using simulations and experiments on the laboratory scale. Nevertheless, the results still show considerable discrepancies between laboratory and practical outcomes. Studies on the practical scale were carried out at the research biogas facility of the University of Hohenheim in order to fill the gap between those research disciplines. The flow velocities at various spots in the fermenter were determined using a magnet-induced measuring system comparing different dry matter contents and viscosities of the fermentation substrate. The results show that a dry content increase from 7.74 to 10.75% during the experimental period is followed by a decrease in flow velocity from 8.71 to 63.77 cm · s-1 down to 0.05 to 37.36 cm · s-1. Therefore, the average flow velocities on the same stirrer setting were reduced due to the increase in dry matter content by an average of 70%. Complementary experiments proved that an increase of the dynamic viscosity can diminish the stirring induced circulation at the bottom and the surface to metrologically undetectable levels. This paper supports the thesis that the reduction of the flow velocities can cause “dead zones” in the fermenter.

German. Das Durchmischen von Gärsubstrat mittels mechanischer Rührwerke ist einer der wichtigsten Prozesse in der Biogasproduktion, jedoch mit hohen Energieeinträgen und damit für den Biogasanlagenbetreiber mit hohen Kosten verbunden. Die Optimierung von Rührwerken sowie des Rührmanagements gewinnt in den vergangenen Jahren immer mehr an Bedeutung. Zahlreiche wissenschaftliche Studien versuchen mittels Simulationen und Versuchen im Labormaßstab Rheologie, Biologie und Strömungsgeschwindigkeiten im Fermenter zu untersuchen und zu beschreiben. Die Ergebnisse zeigen jedoch im Vergleich von Labor- und Praxisuntersuchungen noch erhebliche Abweichungen. Daher wurden mittels magnetisch-induktivem Messsystem die Strömungsgeschwindigkeiten an verschiedenen Stellen des Fermenters bei unterschiedlichen Trockensubstanzgehalten (TS) und Viskositäten des Gärsubstrates ermittelt. Bei einem TS-Anstieg von 7,74 auf 10,75 % über den Versuchszeitraum zeigten die Ergebnisse eine Abnahme der Strömungsgeschwindigkeiten von 8,71 bis 63,77 cm · s-1 auf 0,05 bis 37,36 cm · s-1. Bedingt durch den Anstieg des TS-Gehaltes reduzierten sich die mittleren Strömungsgeschwindigkeiten bei gleicher Rührwerkseinstellung um durchschnittlich 70 %. Ergänzende Untersuchungen konnten belegen, dass mit einem Anstieg der dynamischen Viskosität die über die Rührwerke induzierten Strömungen am Boden, aber auch an der Oberfläche, so gering werden können, dass diese messtechnisch nicht mehr erfassbar sind. Diese Arbeit unterstützt die These, dass es durch Reduktion der Strömungsgeschwindigkeiten zu „Totzonen“ im Fermenter kommen kann.