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Aufgrund der zunehmenden Überdüngung landwirtschaftlicher Flächen durch Wirtschaftsdünger und Gärreste aus Biogasanlagen wird eine ökonomische und ökologische Vollaufbereitungstechnik zur Separation der Nährstoffe und zur Gewinnung von Prozesswasser aus Gärresten und Güllen benötigt. Das Vollaufbereitungsverfahren zur Düngemittelrückgewinnung durch mehrstufige Fest-/ Flüssigtrennung und Membrantechnik könnte diese Anforderungen durch eine intensive Optimierung der Ultrafiltrationsstufe erfüllen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Reduktion des Energiebedarfes der Ultrafiltrationsstufe um 50 %, da diese Prozessstufe ca. 50 – 70 % des Gesamtenergiebedarfes ausmacht. Damit wäre ein wirtschaftliches Vollaufbereitungsverfahren flächendeckend einsetzbar.
Für die Optimierung der Ultrafiltrationsstufe wurden Gärreste aus 19 Biogasanlagen in einem Stichprobenumfang von 42 Proben auf ihre physikalisch/chemischen Parameter und insbesondere das separierte Zentrat auf dessen Filtrierbarkeit in einer UF-Rührzelle untersucht. Im Allgemeinen zeigte sich eine hohe Schwankungsbreite der erzielbaren Permeatflüsse. Funktionelle Zusammenhänge wurden zwischen den organischen Inhaltsstoffen, der scheinbaren Viskosität der Zentrate und dem Ultrafiltrationsfluss gefunden. Gärrestzentrate weisen ein Nicht-Newtonsches rheologisches Fließverhalten auf. Hauptsächlich Biopolymere, darunter Polysaccharide und Proteine, sind sowohl für die erzielbare Flussleistung, als auch für das rheologische Verhalten relevant. Modifikation und Verringerung dieser kritischen Biopolymerfraktion bieten damit einen möglichen Optimierungsansatz, der in der Arbeit durch Ozonierung und Komplexbildung durch pH-Wert-Verschiebung realisiert wurde. Die Optimierung der Ultrafiltration wurde in drei verschiedenen Maßstäben untersucht: Labor-, Technikums- und Pilotmaßstab. Die Ozonierung zeigte dabei positive Eigenschaften in Bezug auf Flussverbesserungen und Abbau der Strukturviskosität. Durch die Modifikation und Verkleinerung der Biopolymere wurde in allen drei Maßstäben eine Flussverbesserung um den Faktor 1,4 – 2,3 erzielt.
Durch die Ansäuerung der Zentrate zu pH-Werten unterhalb der isoelektrischen Punkte der Proteine wurde eine Komplexbildung der Biopolymere erreicht, die bisher nur für Modellsysteme in der Literatur dargestellt wurde. Durch die Vergrößerung der Partikel um den Faktor 7 – 17 bei der Komplexierung wurde in allen drei Versuchsmaßstäben eine Verbesserung der Flussleistung um ca. Faktor 2 erzielt.
Die Temperaturerhöhung wurde in Rohrmodulen im Technikums- und Pilotmaßstab untersucht. Dabei zeigte sich bei einer Temperaturerhöhung von 40 – 45 °C auf 60 – 75 °C eine Verbesserung der Flussleistung um den Faktor 1,4, die auf die sinkende Permeatviskosität und eine verbesserte Deckschichtkontrolle zurückgeführt wurde. Die Kombination aus Ozonierung und hoher Prozesstemperatur zeigte synergetische Ergebnisse, da sowohl durch die hohe Prozesstemperatur, als auch durch die Ozonierung die Zentratviskosität herabgesetzt wurde. Dadurch wurde die Reynoldszahl im Rohrmodul erhöht, was einen positiven Einfluss auf die Filtrierbarkeit zeigte. Durch die erhöhte Reynoldszahl bestand die Möglichkeit, die Strömungsgeschwindigkeit im Ultrafiltrationsloop zu verringern, was einen wesentlichen Einfluss auf den Energiebedarf der Ultrafiltrationsstufe hat. Im Rahmen der Untersuchungen wurde eine sehr gute Übertragbarkeit zwischen den Ergebnissen der verschiedenen Maßstäbe festgestellt. Die Ergebnisse des Labormaßstabes erlauben eine Vorhersage der Membranflüsse auf großtechnische Ultrafiltrationsanlagen. Trotz der hohen Diversität der beprobten Anlagen ermöglichten die Ergebnisse aufgrund des hohen Stichprobenumfanges mathematische Zusammenhänge zwischen den Biopolymeren und der temperaturabhängigen scheinbaren und temperaturabhängigen Viskosität von Gärrestzentraten.
Bei der energetischen Bilanzierung der Ultrafiltrationsanlage wurden an beiden Standorten in Summe sechs Verfahrensmodifikationen gefunden, die eine Reduktion des Energiebedarfes um ≥ 50 % ermöglichen. Diese Projektzielstellung wurde durch eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit, Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und durch die Ansäuerung erreicht. Der niedrigste Energiebedarf wurde durch die Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit erreicht. Der Energiebedarf wurde bei dieser Verfahrensmodifikation um 54 – 59 % reduziert.
In einer abschließenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer 50000 t∙a-1 Anlage an einem deutschen Standort wurde durch die KWK geförderte Wärmenutzung der wirtschaftlichste Fall für eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit festgestellt. Die spezifischen Gesamtkosten des volltechnischen Verfahrens wurden von 8 – 8,50 € pro Kubikmeter aufbereitetem Gärrest auf 5 – 5,50 € um 33,5 – 37,8 % reduziert. Nach Angaben der kooperierenden Firma ist damit ein wirtschaftlicher Anlagenbetrieb möglich.
Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades (Dr. rer. nat.)
Universität Osnabrück
Fachbereich Kultur- und Sozialwissenschaften
Institut für Geographie
in Kooperation mit der Hochschule Osnabrück
Fakultät Agrarwissenschaften und Landschaftsarchitektur
Auf der Basis einer zweistufigen Delphi-Befragung mit anschließender Sektorenbefragung konnte gezeigt werden, dass die untersuchten Obst- und Gemüsegenossenschaften Probleme in der Organisations- und Führungsstruktur aufweisen und dass teilweise mangelnde Professionalität im Management zu einer fehlenden Marktorientierung und Schwächung der Wettbewerbsposition von Genossenschaften führt. Daher besteht die Notwendigkeit der Anpassung der internen Führungsstruktur, um die Effizienz der Genossenschaften zu steigern und die Wettbewerbskraft zu erhöhen.
Die Effizienzsteigerung kann durch die Einführung eines zukunftsorientierten, nachhaltigen Managementsystems erreicht werden. Dabei müssen die institutionellen Besonderheiten von Genossenschaften berücksichtigt werden, um die Vorteile dieser Rechts- und Organisationsform auszuschöpfen.
Die Genossenschaftsstrategie muss dabei beachten, dass sie die Stakeholderanforderungen berücksichtigt und diese empathisch in ihre Leitlinien und das wirtschaftliche Handeln einfließen lässt. Besonderes Augenmerk muss die Genossenschaft dabei auf Ihre Erzeuger und Mitglieder sowie ihre Kunden haben. Innovation und Effektivität müssen weitere Eckpfeiler in der Strategieausrichtung sein.
Führt man zusätzlich zu den übergeordneten Strategieerneuerungen auch ein auf die Werte der Genossenschaft aufbauendes Managementmodell ein, kann die Organisationsform viele Vorteile für ein zukunftsorientiertes Unternehmen bieten. Dabei stellt das Holakratie- oder Soziokratie-Modell ein Managementmodell dar, das auch einem Wertewandel der modernen Zeit standhält und die Führungsstruktur durch die doppelte Kreisbindung modernisiert. Die Governance der Genossenschaft wird gestärkt und ständig aktuell gehalten. Diese Art von Managementmodell eignet sich gerade für Genossenschaften aufgrund von einer notwendigen, hohen Mitgliederbeteiligung und –selbstbestimmung besonders gut. Die dadurch zusätzlich gewonnene Transparenz stellt einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil für zukunftsorientierte, nachhaltige Genossenschaften dar, die dann anpassungsfähig sind und auch einer Internationalisierung des Marktes standhalten.
Today, system engineering companies face the challenge to align their processes optimally to the project goals to fulfill the project requirements. Process optimization is done on development process models as planning abstraction. This is currently, with the existing process models and process modeling languages, not possible because the languages are not suitable. This work presents a formal, yet flexible process modeling language that can be used to capture development processes on arbitrary abstraction levels. This modeling language is complemented by analysis and synthesis methods and tools to optimize process models appropriately and to bind process and process model tight together.
Unternehmen der Systementwicklung stehen heutzutage vor der Aufgabe ihre Prozesse optimal auf die jeweiligen Projektziele auszurichten, um den Projektanforderungen gerecht zu werden. Die Optimierung der Prozesse geschieht dabei auf den Planungsabstraktionen der Entwicklungsprozesse, der Entwicklungsprozessmodellebene. In dieser Arbeit wird eine formale und gleichzeitig flexible Prozessmodellierungssprache vorgestellt, die in der Lage ist, Entwicklungsprozesse in beliebigen Abstraktionen wider zu spiegeln. Zudem wurden entsprechende Analyse- und Synthesemethoden implementiert, um die Optimierung der Prozessmodelle zu unterstützen und Prozesse und Prozessmodelle eng aneinander zu binden.