Messung rheologischer Eigenschaften von Gärprodukten mit einem Rotationsrheometer mit Kugelmesssystem

Abstract

Die rheologische Charakterisierung von Gärresten aus Biogasanlagen stellt eine besondere Herausforderung dar, da diese aufgrund ihrer heterogenen Zusammensetzung und variierenden Partikelgrößen komplexe Strömungseigenschaften aufweisen. Dies gilt insbesondere für Anlagen, die faserhaltige Substrate verarbeiten, da diese die Viskosität und strukturellen Eigenschaften des Mediums erheblich beeinflussen können. Eine präzise und reproduzierbare Beschreibung der rheologischen Eigenschaften ist jedoch essenziell für die Optimierung zentraler Betriebsprozesse wie Pumpen, Rühren und Wärmeaustausch. Durch eine verbesserte Charakterisierung und Modellierung der Fließeigenschaften können Betriebsstrategien gezielt angepasst werden, um Energieverbrauch zu minimieren und die Gesamteffizienz der Biogasanlage zu steigern.
Diese Studie beschreibt eine Methode zur Quantifizierung rheologischer Eigenschaften von Gärprodukten mit Hilfe eines Rotationsrheometers mit Kugelmesssystem und ihre Anwendung. Die Besonderheit der Methode ist, dass die Messung ohne eine vorherige Abtrennung von Partikeln oder Fasern erfolgen kann. Im Vergleich zu konventionellen rheometrischen Methoden ermöglicht dieser Ansatz eine repräsentativere Analyse des Gärrests, da dessen ursprüngliche Zusammensetzung erhalten bleibt.
Gärrestproben wurden aus dem Hauptfermenter (HF), dem Nachgärer (NG) und dem Gärproduktlager (GPL) einer großtechnischen landwirtschaftlichen Biogasanlage entnommen. Die Ergebnisse zeigten eine deutliche Reduktion der Viskosität (Konsistenzfaktor, K) von etwa 250 Pa×s im HF auf 10 Pa×s im GPL, was auf mikrobielle Abbau- und Desintegrationsprozesse zurückzuführen ist. Der Fließindex (n) blieb hingegen weitgehend stabil und zeigte nur einen leichten Anstieg vom HF zum GPL, mit durchschnittlichen Werten zwischen 0,250 und 0,300. Der geringe Anstieg des Fließindex deutet darauf hin, dass der Gärrest bei höheren Scherraten, wie beim Rühren, eine reduzierte Viskosität aufweist.
Trotz der Vorteile weist die hier vorgestellte Methode mit Kugelmesssystem einige Einschränkungen auf, darunter potenzielle Sedimentationseffekte, Partikel-Kugel-Wechselwirkungen und Temperaturempfindlichkeit. Die Mittelung mehrerer Fließkurven verbessert jedoch die Messkonsistenz und ermöglicht eine präzise Bestimmung des Konsistenzfaktors (K) und des Fließindexes (n) des analysierten Gärrests.
Insgesamt bestätigen diese Ergebnisse, dass die entwickelte und hier vorgestellte Methode für routinemäßige rheologische Untersuchungen in der Biogasforschung und Praxis anwendbar ist.