Modellierung mehrstufiger anaerober Prozesse mit dem Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit dem 2013 abgeschlossenen Projekt wurde das ADM1 erfolgreich um die Milchsäurefermentaiton erweitert und an den Daten von Laborversuchen kalibriert und validiert. Zum Abschluss des 2. Jahres konnte das Modell zu Untersuchung und Optimierung des anaeroben Abbaus von kohlenhydratreichen Abwässern und Substraten genutzt werden. Sowohl die Abbaukinetik von Einzelstoffen als auch hemmende Randbedingungen wurden im Rahmen des Vorhabens „Modellierung mehrstufiger anaerober Prozesse mit dem Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1)“ gezielt untersucht und quantifiziert. Basierend auf den Ergebnissen und der sich daraus ergebenden Fragestellungen der ersten beiden Projektjahre sollte im 3. Bearbeitungsjahr das das ADM1xp_lac Modell (Hinken 2013; basierend auf ADM1) für die Abbildung anaerober Industrieabwasser-behandlungsprozesse erweitert werden. Auf Basis grundlagenorientierter Untersuchungen zur Prozesskinetik mit Schwerpunkt pH-Wert und Produkt-Hemmung sollte diese Modellanpassung erfolgen. Die einzelnen Ziele waren: Modellanpassung hinsichtlich thermodynamischer Randbedingungen: Ziel der weiteren Untersuchungen ist, die Bestimmung der Gibbs Energie der ablaufenden Reaktionen in Abhängigkeit von den vorliegenden Randbedingungen (Edukt- /Produktkonzentration, pH, Temperatur) in das ADM1 zu implementieren und über eine Gleichgewichtskonstante die Reaktionsrichtung vorherzusagen. Anpassung des Modells zum Einfluss des pH-Wertes auf die Hemmung: Die Ergebnisse zeigen, dass die Kinetik der Hemmprozesse bei Zugabe bestimmter Substrate (Glukose, Propionat) nicht adäquat abgebildet wird, sondern im Modell im Gegensatz zur Realität zunächst sehr hohe Umsatzraten zu einem Methanpeak führen. Es wird daher angenommen, dass neben dem pH-Wert die Anreicherung eines Zwischenproduktes (z.B. eine undissoziierte organische Säure) die Hemmung verursacht. Im Rahmen des weiteren Projektjahres sollte dieser Aspekt daher im Detail untersucht werden, indem vorliegende Literaturdaten zur Hemmung bei unterschiedlichen pH-Werten und Säurekonzentrationen durch ergänzende Laboruntersuchungen erweitert werden, die Abhängigkeit quantifiziert und in das Modell implementiert wird. Das im Vorprojekt verwendete Modell ADM1xp_lac wurde in Rahmen dieser Untersuchung um Terme zur Abbildung von Produkthemmung durch org. Säuren erweitert zu ADM1xpd_lac. Die spezifischen Hemmkonstanten wurden mit Hilfe von Batch-Untersuchungen ermittelt und im Modell eingesetzt. Die in der vorherigen Modellierung vor den Lastfällen aufgetretenen Peaks der Methanbildung sind bei dem ADM1xpd_lac Modell nicht mehr vorhanden. Jedoch ist die Qualität der Modellierung nicht wesentlich verbessert. Die Betrachtung der Gibbs-Energie im gemessenen und simulierten Versuchsverlauf hat gezeigt, dass diese nicht für die Erklärung der Peaks bei der Methanproduktion geeignet ist. Insbesondere aber bei den aus Messdaten abgeleiteten Gibbs-Energien ist zu beachten, dass die Messung in einem Makro- Maßstab erfolgte. Die tatsächlichen Gibbs-Energien in einem Mikro-Maßstab können von diesen erheblich abweichen. Insofern konnten die Ziele des Projektes, die Gibbs Energie bei der Modellierung zu berücksichtigen, nur soweit erfüllt werden, dass diese bei den Berechnungen der Umsätze verwendet werden konnten. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass diese Berücksichtigung unter Nutzung der messbaren Parameter nicht über die Genauigkeit derjenigen hinausgeht, die durch Einsatz von Hemmkonstanten erreicht werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2015): “Thermodynamic analysis at actual conditions in a co-fermentation biogas plant”, AD14 14th World Congress on Anaerobic Digestion, Vina del Mar, Chile, 15.-18.11.2015
Cuff, G., Weichgrebe, D., Rosenwinkel, K.-H., Voss, E.
