Die Technik
Hochleistungsultraschall, entwickelt an der TUHH
Die Ultrawaves GmbH , eine Ausgründung der Technischen Universität Hamburg-Harburg entwicklt und vermarktet innovative Hochleistungs-Ultraschallsysteme für Klär- und Biogasanlagen. Ziel ist die Intensivierung des biologischen Abbaus durch Zellaufschluss.
Fa. Ultrawaves ist mit Ihrer Hochleistungsultraschall-Technologie weltweit Kompetenzträger und Marktführer. Zur Energieeffizienzsteigerung bei Kläranlagen wird die Technolgie seit 2001 erfolgreich eingesetzt.
Speziell für Biogasanlagen
Innerhalb eines breit angelegten ZIM-Forschungsprojektes zusammen mit Industriepartnern wurde die Hochleistungs-Ultraschalltechnologie speziell für den Betrieb mit landwirtschaftlichen Substraten fit gemacht. Im Ergebnis ist 2013 eine ausgereifte Anlage entstanden – der BIOSONATOR.
Die Neuentwicklung, noch effizienter und kostengünstiger
Im Rahmen des Praxisbetriebs erster Anlagen wurde der Biosonator weiterentwickelt. Es ist gelungen, den ohnehin schon geringen Stromeinsatz zur Aufspaltung von Substraten nochmal zu reduzieren und die Verfahrenstechnik zu vereinfachen. Dadurch wurden die Investionskosten um 20 bis 25 % reduziert. Daraus ist eine sehr kompakte Anlage, der BIOSONATOR compact entstanden.
Der BIOSONATOR compact ist das neue Komplettsystem, bestehend aus modularem Hochleistungs-Ultraschallsystem, vorgeschaltetem Nasszerkleinerer und Exzenterschneckenpumpe sowie einer intellegenten Regelungs und Automatischerungstechnik mit Fernwartung. Als Plug&Play-System kann der Biosonator compact einfach und schnell in bestehende Biogasanlagen integriert werden.
Plug&Play-System
Die Technik wird als kompakte Plug & Play-Lösung in einem Container oder auf Rahmenkonstruktionen geliefert und kann über ein Zulauf- und ein Ablaufrohr einfach und schnell in den laufenden Betrieb der Biogasanlage eingebunden werden. Die Größe des Containers ist dabei abhängig von der Nennleistung der Biogasanlage. Beispielsweise wird der BIOSONATOR compact bei Anlagen mit einer Nennleistung von 500 bis 900 kW in einem 10-Fuß-Container, bei Anlagen von 1.000 bis 2.000 kW el in einem 20-Fuß-Container installiert. Bei größeren Anlagen wird er in Sonderbauweise eines 30-Fuß-Containers geliefert. Vorzugsweise wird ein Volumenstrom aus dem Nachgärer behandelt und in den Hauptfermenter rezirkuliert.
Ultraschallkomponenten für jede Anlagengröße
Der BIOSONATOR ist modular aufgebaut. Individuell wird die Anzahl der Sonotroden (Schwinggebilde) auf die Leistung und den Substrateinsatz der jeweiligen Biogasanlage abgestimmt. Aufgrund des modularen Aufbaus ist es auch möglich, einzelne Sonotroden später nachzurüsten, wenn sich die Substrate ändern.
Nominell wird jedes Schwinggebilde mit einer Dauerleitung von 1 kW Leistung betrieben. Die äußerst robusten Geräte laufen in der Regel im Dauerbetrieb. Der Wartungsaufwand ist gering, lediglich die Sonotroden, die direkt mit dem beschallten Medium in Kontakt kommen, sind einfach austauschbare Verschleißteile.
Aufschluss durch harte Kavitation
Das Substrat wird durch harte Kavistation aufgespalten. Die Kavitation wird durch die Sonotroden mittels Hochleistungsultraschall erzeugt. Ultraschall ist Schall mit Frequenzen jenseits des Hörschalls, also von 20 kHZ bis in den Megaherzbereich. In wässrigen Lösungen bewirken Ultraschallwellen eine periodische Kompression (Druck) und Dehnung (Zug, Unterdruck) des beschallten Mediums. Während der Phase des Unterdrucks entstehen kleine gas- und wasserdampfgefüllte Blasen, die in der nachfolgenden Druckphase implodieren. Dabei treten lokal Drücke von bis zu 500 bar und Temperaturen von bis zu 5.000 Grad Celsius auf. So werden intensivste Scherkräfte im Medium ausgelöst und Biomasse in feinste Zellstrukturen aufgebrochen. Diese durch Ultraschall erzeugten Kräfte sind in der Lage, jedo noch so robuste Oberfläche zu zerstören.
Wie wirkt sich das auf die planzliche Biomasse aus?
Durch die Beschallung einer Biomasse-Suspension mit Hochleistungs-Ultraschall werden organisches Material und Enzyme in Lösung gebracht. Das Substrat ist damit leiter für aktive Mikroorganismen verfügbar und kann im biologischen Abbauprozess besser verwertet werden. Durch die Intensivierung entsteht ein größerer Biogasertrag bei gleiche Menge Einsatzstoffe oder es sind weniger Einsatzstoffe bei gleichem Output erforderlich. Zusätzlich werden die Partikelgrößen verkleinert, was die Viskosität reduziert.
Alleinstellungsmerkmal
Um einen Aufschluss der Biomasse durch Ultraschall zu erzielen, ist eine harte Kavitation erforderlich. Diese kann nur durch den Einsatz von Stab-Schwinggebilden erreicht werden, die bei hohen Amplituden (ca. 20 μm) arbeiten. Die erzeugten Kavitationsblasen implodieren bei großen Durchmessern und erzeugen somit hohe Scherkräfte.
Konkurrierende Ultraschalltechnologien auf Basis von Tonpilzen arbeiten
bei max. 2 μm und lösen lediglich weiche Kavitation aus. Die Bläschen sind deutlich kleiner und die bei der Implosion frei werdende Energie ist nicht ausreichend, um Zellen aufzuschließen. Daher ist diese günstige Technologie nur zur Reinigung einzusetzen (z.B. im Ultraschallbad). Die Tonpilze werden oftmals nur von außen auf die Rohrwand aufgeklebt, sodass das Rohr kavitiert. Dabei geht erheblich viel Energie bereits bei der Erzeugung der Kavitationsblasen verloren.
Messungen zeigen: Unsere Stabschwinger sind ca. 10 mal effizienter und tauchen direkt in das Medium ein. Somit wird die komplette abgerufene Leistung auch in die behandelte Suspension eingetragen und ein echter Zellaufschluss erreicht.
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