Strömungsfolgende Sensorpartikel zur Charakterisierung von Bioreaktoren

Die Kenntnis der in Bioreaktoren und speziell in großen Behältern, wie Biogasfermentern, Belebtschlammbecken und Hefefermentern, ablaufenden hydrodynamischen und biochemischen Prozesse ist begrenzt. Der Zugang für Messtechnik ist durch die Behälter und die rauen mechanischen und chemischen Umgebungsbedingungen stark eingeschränkt. Daher sind bekannte bildgebende Messverfahren zur Strömungscharakterisierung, wie Hochgeschwindigkeitsvideometrie, Particle Image Velocimetry (PIV) und Prozesstomografie, nicht anwendbar.
Zur räumlichen Erfassung der Prozessparameter in Bioreaktoren wurde am HZDR das Konzept instrumentierter, strömungsfolgender Sensorpartikel entwickelt [1,2]. Die Sensorpartikel werden als auftriebsneutrale Strömungsfolger eingesetzt und erfassen dabei kontinuierlich Prozessparameter. Nach der Rückgewinnung der Sensorpartikel aus dem Prozess werden die Daten ausgewertet. Die Sensorpartikel bestehen aus robusten Kapseln, welche mit einer integrierten Messelektronik und einer mechanischen Auftriebseinheit ausgestattet sind (siehe Abb. 1). Das Systemkonzept berücksichtigt derzeit miniaturisierte Sensoren für die Umgebungstemperatur, die Eintauchtiefe als Funktion des hydrostatischen Drucks, die Beschleunigung, die Drehrate und das Magnetfeld. Das Konzept ist zudem offen für die Einbindung ergänzender miniaturisierter Messfühler, wie z. B. für pH-Wert und Gelöst-Sauerstoff. Eine Auftriebseinheit erlaubt zum einen die automatisierte Tarierung der Sensorpartikel im ruhenden Prozessmedium und weiterhin eine erleichterte Rückgewinnung der Sensorpartikel von der Flüssigkeitsoberfläche nach Beendigung der Messung [3].
Die Sensorpartikel wurden bereits unter realen Bedingungen von Biogasfermentern getestet und es wurden erste Strömungsanalysen erstellt [2,4]. Ein weiteres aktuelles Anwendungsfeld der Sensorpartikel sind Kläranlagen und speziell Belebtschlammbecken zur biologischen Abwasserreinigung. Erste Tests mit Sensorpartikeln wurden bereits durchgeführt (siehe Abb. 2). Der Beitrag stellt neben dem Konzept der Sensorpartikel deren Anwendungsmöglichkeiten in Bioreaktoren und damit verbundene technische Herausforderungen vor.