Forschungsdaten – Titel und Zusammenfassungen von Publikationen, extrahierte Daten und Katalogeinträge – erscheinen in ihrer Originalsprache Englisch.
Entwerfen Sie ein bioelektrochemisches System zur Ressourcenrückgewinnung
Beginnen Sie mit einem Abwasserstrom. Erhalten Sie über den Router der fünf Physikfamilien eine Rangliste von Designs aus dem Laborkatalog, öffnen Sie Dossier und R&I-Fließschema des Designs und sehen Sie eine echte ML-Vorhersage mit ihrem Intervall und einer OOD-Kennzeichnung. Jede Zahl führt auf ein Quellartefakt zurück oder ist als Basisannahme ausgewiesen.
- /api/ml/predict – Antwort mit 15 Blöcken
- holdout-coverage-2026-05-21.json – 940 OOS-Beobachtungen
- calibration.json – zufällige Aufteilung, nicht nach Publikationen getrennt (sofern erzeugt)
- wastewater/*-baseline.json – 6 Prozess-TEAs
- @messai/component-catalog – 6 Zwillinge aus dem Laborkatalog
- @messai/pid-schematic – ISA-5.1-Fließschemata je Zwilling
Abschnitt 1 · Zulaufcharakterisierung
Definieren Sie den Abwasserstrom
Wählen Sie einen von sechs industriellen Archetypen oder setzen Sie Parameter innerhalb ihrer Literaturbereiche. Jeder Schieberegler zeigt harte Grenzen, den typischen Bereich, Teilbereiche nach Anlagentyp und den Zielwert der aktiven Vorlage.
Abschnitt 2 · Systemvorschlag · Designs aus dem Laborkatalog
Wählen Sie eine gekoppelte Architektur
Rangfolge nach Eignung für den Zulauf, ermittelt mit dem Router der fünf Physikfamilien. Jede Karte ist ein digitaler Zwilling aus dem Laborkatalog; ein Klick darauf steuert alle nachfolgenden Abschnitte.
Abschnitt 2b · Systemdossier · aus dem Laborkatalog
MFC + Anaerobic Digester (electricity from wastewater)
The Bio-Battery Train
A two-stage flowsheet that pairs an anaerobic digester (for bulk COD reduction + biogas recovery) with a downstream microbial fuel cell that polishes residual COD into direct electrical current. The AD does the thermodynamic heavy lifting; the MFC monetises what’s left as electrons rather than gas, with no biogas-handling burden on the back end.
Zentrales Unterscheidungsmerkmal
AD alone leaves 25–50 % of the influent COD behind in the digestate. An MFC polish step recovers a portion of that residual COD as electricity at electrode-surface efficiencies that exceed dark-fermentation H2 routes. The full-flowsheet TEA is meant to take the parameter-sweep page’s Butler-Volmer + Monod outputs; that link is not wired yet, so the baseline uses literature midpoints.
Funktionsweise
Influent enters the AD; biogas exits the dome to CHP; digestate flows by gravity into the MFC anode chamber where exoelectrogens (Geobacter / mixed consortia) attach to a carbon-cloth or graphite-felt anode. Substrate oxidation releases electrons that travel through an external circuit to an air cathode (typical) and protons migrate through a separator. Power is dumped to a buck-boost charger that conditions the MFC output to grid-tie or battery voltage.
Leistungsbereich
Forschungsstand
MFCs remain at TRL 4–5 outside niche sensor applications. The MFC+AD combination is published, but no pilot plants are continuously operated. Active research: scaling anode area while preserving CE, cheaper cathode catalysts, hybrid AD-MFC operating strategies.
Schlüsselparameter
Reaktorgeometrie
Left: cylindrical AD tank (see "wastewater-ad" for sizing). Right: rectangular MFC chamber with planar anode (left wall) and air cathode (right wall, typically Pt/C on carbon cloth or activated-carbon-on-stainless-mesh). Top: external circuit with adjustable load resistor; LED indicator on the wire visualises current.
Anwendungen
- Wastewater treatment with energy recovery (food / dairy / brewery effluents)
- Decentralised treatment at sites without grid access
- BOD sensors at WWTP outfalls (MFC voltage tracks BOD)
- Educational / public-engagement reactors
- Combined heat (AD biogas) + power (MFC) micro-grids
Maßstab
Pilotmaßstab
TRL
4–5
Arbeitsvolumen
0.5 – 50 m³ MFC stack downstream of a 10 000 m³ AD
3D-Reaktorszene wird geladen …
Abschnitt 4 · Live-Vorhersage · /api/ml/predict
Live-ML-Vorhersage
Der typische Fehler auf dem nach Publikationen getrennten Benchmark (bes-benchmark-v1) liegt für die Leistungsdichte bei etwa 0,8 Größenordnungen (×6), daher sind die Bänder bewusst breit. Angenommener Betriebspunkt, noch keine Eingabegröße: 100 Ω externer Lastwiderstand, Nafion-117-Membran, Pt/C-Kathode mit der Fläche der Anode.
Abschnitt 5 · Rückgewinnungsbilanz
Was dieses System tatsächlich zurückgewinnt
Täglich zurückgewonnene Produkte aus einer Bilanz nach Grundprinzipien über den Zulauf und die Live-Vorhersage. Die Breite der Bänder ist nicht maßstabsgetreu; für mit „—“ markierte Werte fehlen die Eingaben zur Berechnung.
- · CSB-Abbau aus dem Referenzfall des Archetyps (60 %).
- · Biogas beim theoretischen CH₄-Ertrag (nach Buswell) – eine Obergrenze.
- · Strom aus den Elektroden: unzureichende Eingaben (keine Leistungsvorhersage).
Abschnitt 7 · Designempfehlungen
Noch keine Änderung, für die der Korpus bürgen kann
Jede Karte ist ein am Korpus angepasster Effekt mit seinem n und 95-%-Konfidenzintervall. Als empfohlen gilt eine Änderung nur, wenn die Untergrenze des Konfidenzintervalls eine Steigerung von 5 % erreicht; die übrigen erscheinen als Kandidaten, deren Richtung der Korpus nicht belegt hat. Merken Sie eine vor, um sie in 3D als halbtransparente Überlagerung zu sehen.
Live-Vorhersage nicht verfügbar – Steigerungen nur als relative % gezeigt
Abschnitt 7b · Konfidenz erhöhen
33 Evidenzlücken für MFC + anaerobe Faulung
Jede Zeile zeigt einen Designhebel, den der Korpus noch nicht mit hoher Konfidenz quantifizieren kann, die Studie, die diese Lücke schließen würde, und die Literatursuche, die nach ihr sucht.
- externer Widerstand → Leistungsdichte128 Publikationen · publikationsübergreifend · Effekt nicht von null unterscheidbar · niedrigVorgeschlagene Studie: external resistance variieren; temperature, pH, HRT, COD_in, anode material konstant halten; Leistungsdichte + Coulomb-Effizienz messen; ≥ 3 Bedingungen pro Studie.openalex: external resistance "microbial fuel cell" power density
- pH-Wert → Leistungsdichte110 Publikationen · publikationsübergreifend · Effekt nicht von null unterscheidbar · niedrigVorgeschlagene Studie: anolyte pH variieren; temperature, HRT, COD_in, R_ext, anode material konstant halten; Leistungsdichte + Coulomb-Effizienz messen; ≥ 3 Bedingungen pro Studie.openalex: anolyte pH "microbial fuel cell" power density
- Temperatur → CSB-Abbau108 Publikationen · publikationsübergreifend · Effekt nicht von null unterscheidbar · mittelVorgeschlagene Studie: reactor temperature variieren; pH, HRT, COD_in, R_ext, anode material konstant halten; CSB-Abbau + Coulomb-Effizienz messen; ≥ 3 Bedingungen pro Studie.openalex: reactor temperature "microbial fuel cell" COD removal
- pH-Wert → CSB-Abbau105 Publikationen · publikationsübergreifend · Effekt nicht von null unterscheidbar · niedrigVorgeschlagene Studie: anolyte pH variieren; temperature, HRT, COD_in, R_ext, anode material konstant halten; CSB-Abbau + Coulomb-Effizienz messen; ≥ 3 Bedingungen pro Studie.openalex: anolyte pH "microbial fuel cell" COD removal
- CSB im Zulauf → CSB-Abbau94 Publikationen · publikationsübergreifend · Effekt nicht von null unterscheidbar · niedrigVorgeschlagene Studie: influent COD concentration variieren; temperature, pH, HRT, R_ext, anode material konstant halten; CSB-Abbau + Coulomb-Effizienz messen; ≥ 3 Bedingungen pro Studie.openalex: influent COD concentration "microbial fuel cell" COD removal
- CSB im Zulauf → Coulomb-Effizienz62 Publikationen · publikationsübergreifend · Effekt nicht von null unterscheidbar · niedrigVorgeschlagene Studie: influent COD concentration variieren; temperature, pH, HRT, R_ext, anode material konstant halten; Coulomb-Effizienz + Leistungsdichte messen; ≥ 3 Bedingungen pro Studie.openalex: influent COD concentration "microbial fuel cell" coulombic efficiency
Abschnitt 7c · Was zu messen ist
Messplan für MFC + anaerobe Faulung
Rangfolge aus 263 MFC-Publikationen, die ein Rückgewinnungsziel berichten: Hebel, die eine Studie variieren sollte, die Kontextvariablen, die der Korpus dazu erwartet, und die zu berichtenden Zielgrößen. Abdeckung und Korrelation sind deskriptiv; nur die Effektspalte ist eine angepasste Schätzung von kausaler Güte.
| Parameter | Rolle | berichtet in | angepasster Effekt | schließbare Lücken | ρ vs. Zielgröße (gepoolt) |
|---|---|---|---|---|---|
| anode material | Hebel | 0 % · 0 | +0,017 → Leistungsdichte · niedrig · n=5 | 64 · konstant in 64 | — |
| hydraulic retention timeh | Hebel | 12 % · 31 | −0,029 → CSB-Abbau · niedrig · n=43 | 15 · konstant in 113 | -0,25 (11) |
| pH | Hebel | 34 % · 88 | −0,086 → Ammonium-Elimination · mittel · n=10 | 14 · konstant in 114 | +0,55 (15) |
| temperature°C | Hebel | 22 % · 59 | +0,0087 → CSB-Abbau · mittel · n=108 | 14 · konstant in 114 | -0,25 (103) |
| COD Concentrationmg/L | Hebel | 33 % · 87 | +4,6e-7 → CSB-Abbau · niedrig · n=94 | 13 · konstant in 115 | +0,43 (69) |
| External LoadΩ | Hebel | 29 % · 75 | −0,0000037 → Coulomb-Effizienz · mittel · n=60 | 8 · konstant in 120 | +0,78 (8) |
| Power DensitymW/cm² | Kovariate | 54 % · 141 | — | — | +0,74 (30) |
| voltageV | Kovariate | 43 % · 114 | — | — | +0,48 (13) |
| Open Circuit VoltageV | Kovariate | 35 % · 91 | — | — | -0,45 (10) |
| Current DensitymA/cm² | Kovariate | 34 % · 88 | — | — | +0,56 (26) |
| Reactor VolumemL | Kovariate | 32 % · 83 | — | — | -0,20 (73) |
| Internal ResistanceΩ | Kovariate | 30 % · 78 | — | — | -0,71 (12) |
| Cod Removal% | Zielgröße | 83 % · 219 | — | — | — |
| coulombic efficiency% | Zielgröße | 44 % · 116 | — | — | — |
| Ammonium-N Removed% | Zielgröße | 8 % · 21 | — | — | — |
| Phosphorus Removal% | Zielgröße | 4 % · 11 | — | — | — |
Quelle: apps/web/public/data/computed/research/measure-priorities.json · 2026-10-05
Abschnitt 8 · Sensitivitätsrangfolge
Welche Stellschraube den Unterschied macht
Korpuseffekte aus within-paper-effects.json für diesen Archetyp. Publikationsinterne Anpassungen partialisieren Störfaktoren auf Publikationsebene heraus; publikationsübergreifende tun das nicht und sind entsprechend gekennzeichnet. Grün erhöht, Rot senkt die Zielgröße – aber nur, wo das 95-%-Konfidenzintervall null ausschließt; graue Balken sind Richtungen, die der Korpus nicht belegt hat. Die Einheiten von β unterscheiden sich je Stellschraube (pro °C, pro pH-Einheit, pro Stunde, pro Stufe); vergleichen Sie daher Vorzeichen und Intervalle, nicht Balkenlängen.
Mechanistisches Schließungsmodell · richtungsvalidierte Hebel
Sagt das physikalische Schließungsmodell die Richtung (das Vorzeichen) einer Änderung innerhalb eines Designs besser vorher als ein Münzwurf (50 %)? Nur dort, wo das 95-%-Intervall über 50 % bleibt – bisher knapp für Substrat → Leistung. Nur Übereinstimmung der Richtung, nicht der Größe.
Nicht gezeigt: Strom↔Substrat und Strom↔pH sind schlechter als Zufall (das Schließungsmodell sagt die falsche Richtung vorher), daher schließen wir sie aus, statt einen irreführenden Balken zu zeigen. Die umfangreichere interaktive Version finden Sie unter /lab/design.
Abschnitt 9 · Kalibrierung · ehrliche Einschränkungen
Wofür dieses Modell kalibriert ist – und wofür nicht
⚠ Die Conformal-Abdeckungsgarantie ist vorläufig
Die Split-Conformal-q̂ wurden gegen holdout-priors-2026-05-21 kalibriert, das ausgelieferte Vorhersagemodell ist jedoch v2-sota-2026-05-15. Die Intervallrechnung (Log-Raum + physikalische Begrenzung) ist korrekt, aber die Garantie der marginalen Abdeckung gilt erst, wenn die Konstanten gegen den ausgelieferten Fit neu erzeugt wurden. Jede Antwort von /api/ml/predict enthält dasselbe version_check.ok = false.
Was wir nicht behaupten
- •MDC, MES, MNRC, MMRC, MBES sind nicht in der Abdeckungsprüfung auf Holdout-Daten enthalten – nur analytische Vorhersagemodelle.
- •TEA-Zahlen sind linear gerechnete Literaturmittelwerte, kein verbindliches Angebot; die Standortplanung verursacht zusätzliche Kosten.
- •Vorhersagen des CSB-Abbaus sind für hochbelastete Industrieabwässer mit toxischen Stößen grob.
- •Keine Vorhersagen zur Elimination von Mikroschadstoffen, zu Antibiotikaresistenzen oder zum Verbleib von Krankheitserregern.
- •Langzeit-Biofouling und Elektrodendegradation > 12 Monate fehlen im Korpus.
Abschnitt 10 · Mini-TEA · MFC + anaerobe Faulung
Was es kostet
Aus dem Prozess-TEA-Referenzfall des Archetyps. Diskontsatz 0,1, Laufzeit 15 Jahre. Ehrlicher Hinweis: Literaturmittelwerte, kein verbindliches Angebot.
- · Electrode capex $1,200/m² (carbon-cloth, Logan 2008 inflated).
- · Performance inputs are stub literature midpoints — wire to a sweep export for real numbers.
- · Higher 10 % discount rate reflects MFC scale-up risk (Santoro 2017).
Abschnitt 11 · Für Industrieunternehmen · Ihr Stoffstrom rein, Wert raus
Was aus Ihrem Stoffstrom werden könnte
Wählen Sie die Zeile, die zu dem passt, was Sie einleiten oder emittieren. Jede Abwasserzeile ist ein modelliertes System mit veröffentlichtem Referenzfall und wählt dieses Design oben aus; jede Vorhersage kommt mit einem Intervall und einer ehrlichen Kennzeichnung, wenn Ihr Stoffstrom außerhalb unserer Daten liegt.
| Ihr Eingangsstrom | System | Was herauskommt | Hinweise |
|---|---|---|---|
MFC + anaerobe Faulung The Bio-Battery Train · TRL 4–5 | WasserStromBiogas | Brauereien, Molkereien, Lebensmittelverarbeitung. MFC ist die datenreichste Systemklasse im Korpus. | |
MEC + anaerobe Faulung The Hydrogen Train · TRL 3–4 | WasserH₂Biogas | 0,6 V angelegt; Wasserstoff statt Strom. Die Evidenz im Korpus für MEC-H₂ ist dünn (2 Publikationen mit Angabe einer spezifischen H₂-Produktion). | |
MFC + Struvit-Seitenstrom The Phosphorus Mine · TRL 8–9 | WasserStromStruvit (P) | MgCl₂-Dosierung; 90 % P-Rückgewinnung im Basismodell (ein Zentrat mit 200 mg P/L). | |
MFC + NH₃-Strippung The Ammonia Stripper · TRL 8–9 | WasserStromNH₃ (N) | Rohstoff für N-Dünger; 80 % N-Rückgewinnung im Basismodell (ein Stoffstrom mit 600 mg N/L). | |
MFC + elektrochemische Nachreinigung The Color Eater · TRL 7–8 | WasserStromMetalle | Abwasser aus Bergbau, Galvanik und Elektronikfertigung. Die Elektrokoagulation überführt Metalle in den Flockenschlamm – Entfernung, keine Rückgewinnung. | |
Konventionelles Belebtschlammverfahren The Industry Workhorse · TRL 9 | nur Wasser | Die etablierte Referenz, gegen die jeder Fall bepreist wird. | |
| Umgebungsluft ↗ | DAC mit Bipolarmembran-Elektrodialyse | CO₂-Gasstromverdichtetes CO₂ | Vorlagen für 0,15 t/a (Labor), 1 kt/a (Pilot), 100 kt/a (kommerziell). Gleicher Kern, anderer Einlass. |
| Methan aus Grubenabwettern ↗ | Methanotropher Biofilter | CH₄ oxidiert | Frühes Modell, noch nicht kalibriert. Fragen Sie bei Bedarf. |
So sieht eine Machbarkeitsstudie aus
Sechs bis acht Wochen von den Stoffstromdaten zu einer Antwort auf Screening-Niveau mit ausgewiesener Unsicherheit. Das Ergebnis ist keine Broschüre; es ist die Zahl, ihr Intervall, die Wirtschaftlichkeit der Anlage und die ein oder zwei Labormessungen, die die Antwort am stärksten verändern würden.
Wochen 1–2
Charakterisieren
Sie nennen uns Durchfluss, CSB, N, P, Metalle, Temperatur und was Sie heute bezahlen. Wir ordnen das dem Korpus zu und markieren, wo Ihr Stoffstrom außerhalb der Daten liegt.
Wochen 2–4
Zuordnen und vorhersagen
Der Stoffstrom wird der passenden Physikfamilie und dem passenden Archetyp zugeordnet. Jede Vorhersage kommt mit ihrem Intervall und einer Kennzeichnung „außerhalb der Verteilung“.
Wochen 4–6
Bepreisen
CAPEX, OPEX, Gestehungskosten oder Kapitalwert über die Lebensdauer der Anlage (15 Jahre für MES-Verfahrensketten, 25 für das Belebtschlammverfahren), im Vergleich zu Ihrer bestehenden Lösung. Die Annahmen stehen in den Hinweisen des jeweiligen Referenzfalls.
Wochen 6–8
Den Test benennen
Ein priorisierter Messplan: die ein oder zwei Labormessungen, die die Antwort am stärksten verändern würden, jeweils mit der Varianz, die sie erklären.
Was wir Ihnen sagen, bevor Sie fragen
- Waste-to-Value-Vorhersagen sind für MFC-Systeme am belastbarsten, für die die Abdeckung auf Holdout-Daten gemessen wurde. Datenarme Archetypen tragen in der Vorhersageleiste oben eine sichtbare Kennzeichnung „außerhalb der Verteilung“.
- Die Rückgewinnungsanteile in der Bilanz sind Konstanten des Basismodells, keine Messungen Ihres Stoffstroms: 90 % P als Struvit und 80 % N als NH₃, bis eine Partnerprobe sie ersetzt.
- Kosteneingaben sind als Literaturwert oder Annahme gekennzeichnet, Zeile für Zeile in der Mini-TEA. Ein Partnerangebot ersetzt eine Annahme durch eine Tatsache.
- Die DAC- und Grubenmethan-Modelle wurden nicht an einer laufenden Anlage kalibriert. Sie sind aufgeführt, damit Sie wissen, dass es sie gibt, und sie sagen das auf ihren eigenen Seiten.
Partner sind die Kalibrierung. Die ersten Studien sind entsprechend bepreist.
Beginnen Sie mit einem Stoffstrom
Senden Sie uns einen Durchfluss und einen Laborbericht. Innerhalb einer Woche erhalten Sie einen zugeordneten Archetyp, ein erstes Intervall und einen Umfang für die Studie.