DE19917955A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung aerober umweltbiotechnologischer Prozesse - Google Patents

Abstract

In der Umweltbiotechnologie werden Mikroorganismen mit speziellen Stoffwechselleistungen verwendet. Für einen störungsfreien Prozess ist eine laufende Überwachung erforderlich, die über das aktuelle Substratverwertungspotential der Mikroorganismen ständig informiert. Zur Gewinnung solcher Informationen ist die Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfes (BSB 5 gem. DIN 38409-H51) bekannt - jedoch zur laufenden Überwachung wenig geeignet. Auch bekannte Verfahren und Vorrichtungen zur BSB-Schnellbestimmung unter Verwendung definierter prozessfremder Mikroorganismen können dieses Problem nur bedingt lösen. Die erforderlichen Messeinrichtungen sind sehr aufwendig. DOLLAR A Der Erfindung liegt deshalb das Problem zu Grunde, ein Verfahren zur aufwandsarmen Labor-BSB-Bestimmung und zur laufenden Überwachung aerober umweltbiologischer Prozesse und damit zur Steuerung dieser Prozesse zu entwickeln. Außerdem soll eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden. DOLLAR A Gemäß der Erfindung werden dazu in einem Fließsystem prozesseigene Mikroorganismen in eine Messkammer eingebracht, kalibriert, nachfolgend von Proben überströmt und Veränderung von Zustandsgrößen detektiert und ausgewertet. Die Mikroorganismen liegen in der Messkammer immobilisiert oder frei suspendiert vor. Die dazugehörige Vorrichtung besteht aus ein oder zwei Messkammern und einer Steuer- und Auswerteeinheit. In den Messkammern sind Signalgeber in räumlich enger Kopplung zu den ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung aerober um­ weltbiotechnologischer Prozesse einschließlich Laboruntersuchun­ gen sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vor­ richtung.

In der Umwelt- und Produktbiotechnologie werden Mikroorganismen mit speziellen Stoffwechselleistungen verwendet. Für einen stö­ rungsfreien Prozess ist eine laufende Überwachung erforderlich, die über das aktuelle Substratverwertungspotential der Mikroorga­ nismen ständig informiert.

Es hat dazu bisher nicht an Versuchen und Methoden gefehlt, sol­ che Informationen zu ermöglichen.

So ist aus dem Stand der Technik die Anwendung der Fließinjekti­ onsanalyse (Flow Injektion Analysis, FIA) bekannt. Dabei wird in einem Fließsystem eine Probe injiziert und über eine Reaktions­ strecke einem Detektor zur Ermittlung von Konzentrationsverände­ rungen und anderen Messwertänderungen zugeführt. Bisher ist je­ doch die Anwendung der FIA auf typische produktbiologische Zwecke und wenige Zustandsgrößen wie z. B. Temperatur, pH-Wert beschränkt (Schügerl: "Analytische Methoden in der Biotechnologie", Vieweg 1991).

Weiterhin ist aus der Umweltbiotechnologie die Bestimmung des bio­ chemischen Sauerstoffbedarf zum Feststellen von Abwasserverschmut­ zungen bekannt.

Dazu wird die für den Abbau von organischen Materialien benötigte Sauerstoffmenge in 5 Tagen erfasst (BSB 5 gem. DIN 38409-H51).

Diese weit verbreitete Methode ist jedoch sehr aufwendig und zur laufenden Kontrolle umweltbiotechnologischer Prozesse nur bedingt geeignet. Bekannt sind auch Verfahren und Vorrichtungen zur Schnellbestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfes (BSB), wie in DE 29 51 3115 U1, DE 43 14 981 C2 und DE 196 20 250 A1 beschrie­ ben. Dabei werden jeweils definierte prozessfremde Mikroorganismen zugesetzt.

Ferner ist aus der DE 29 51 5965 U1 eine Durchflussmesszelle für Biosensoren bekannt, die jedoch eine komplizierte Messeinrichtung aufweist.

Alle bekannten Methoden und Anordnungen ermöglichen jedoch kaum eine frühzeitige bzw. laufende Erkennung schnell wechselnder bio­ spezifischer Prozesszustände.

Der Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, ein Verfahren zur aufwandsarmen Labor-BSB-Bestimmung und zur laufenden Überwa­ chung aerober umweltbiotechnologischer Prozesse und damit zur Steuerung dieser Prozesse zu entwickeln. Außerdem soll eine geeig­ nete Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden.

Das Verfahren gem. der Erfindung löst dieses Problem mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausge­ staltungen hiervon sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Danach werden in einem Fließsystem prozesseigene Mikroorganismen in eine Meßkammer eingebracht, kalibriert, nachfolgend von Proben überströmt und Veränderungen von Zustandsgrößen detektiert und ausgewertet.

Während des Messvorganges liegen dabei die prozeßeigenen Mikroor­ ganismen in der Messkammer gem. Patentanspruch 2 immobilisiert oder frei suspendiert gem. Patentanspruch 3 vor.

Vorteilhafterweise erfolgt nach Beendigung des Messvorganges gem. Patentanspruch 4 eine automatische Reinigung der Messkammer.

Die zur Durchführung des Verfahrens geschaffene Vorrichtung ist durch die Merkmale des Patentanspruches 5 gekennzeichnet.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Patentan­ sprüchen 6 bis 9 angegeben.

Danach besteht die Vorrichtung aus einem Fließsystem mit einer Messkammer 1; einer Steuer- und Auswerteeinheit 2 - verbunden mit einer Anzeigeeinheit 3 - sowie Pumpen und Absperreinrichtungen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform nach Patentanspruch 6 besteht die Vorrichtung aus einem Fließsystem mit zwei parallel angeordneten Messkammern 1,1 und 1,2; einer Steuer- und Auswerte­ einheit 2 - verbunden mit einer Anzeigeeinrichtung 3 - sowie Pum­ pen und Absperreinrichtungen.

Gem. Patentanspruch 7 sind in der Messkammer bzw. in den Messkam­ mern Signalgeber 4 in räumlich enger Kopplung zu den prozesseige­ nen Mikroorganismen angeordnet.

Als Signalgeber werden vorzugsweise gem. Patentanspruch 8 Sauer­ stoff-Elektroden verwendet.

Weiterhin enthalten die Messkammern gem. Patentanspruch 9 vorzugs­ weise eine semipermeable Membran mit einem Porendurchmesser unter 10 µm.

Das erfindungsgemäße Verfahren, unter Verwendung der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung weist den entscheidenden Vorteil auf, die pro­ zesseigenen Mikroorganismen als sensitive Komponente zu nutzen und damit auf die Verwendung zusätzlicher, fremder Mikroorganismen zu verzichten. Damit erzielte Kontrolluntersuchungen bestätigen den überraschenden Vorteil dieser Methode. Die Erfindung ermög­ licht ein laufendes Überwachen aerober umweltbiotechnologischer Prozesse einschließlich Labor-BSB-Untersuchungen und damit Steuer­ möglichkeiten.

Mit der Ausführungsform von zwei Messkammern ist eine vorteilhafte Erhöhung der Messfrequenz verbunden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen und Anwendungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen,

Fig. 1 eine Ausführungsform des Fließsystems gem. Patentanspruch 5,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform gem. Patentanspruch 6,

Fig. 3 resultierende Mess-Signale in allgemeiner Form.

Das Fließsystem weist eine Messkammer 1 oder als Variante zwei parallel angeordnete Messkammern 1,1 und 1,2 auf, welche Signalge­ ber 4 enthalten, eine Steuer- und Auswerteeinheit 2 verbunden mit einer Anzeigeeinrichtung 3 sowie übliche Pumpen und Absperreinrich­ tungen. Als Pumpen dienen vorzugsweise Peristaltikpumpen und für die Absperreinrichtungen bevorzugt Schlauchquetschventile.

In der Messkammer 1 oder den Messkammern 1,1 und 1,2 läuft der eigentliche Messvorgang bzw. Messzyklus ab. Als Signalgeber 4 werden bevorzugt Sauerstoff-Elektroden eingesetzt, die sich in den Messkammern in unmittelbarer Nähe der Mikroorganismen befin­ den.

Zu Beginn der Messung wird suspendierte Biomasse mit den zu charak­ terisierenden Mikroorganismen zu den Messkammern gefördert.

Die Biomasse kann während der Messung als Suspension in den Mess­ kammern vorliegen oder sie wird an einer semipermeablen Membran, vorzugsweise einer Kernspurmembran mit Porendurchmessern unter 10 µm immobilisiert.

Anschließend wird eine sauerstoffhaltige Trägerflüssigkeit (Car­ rier), vorzugsweise eine Pufferlösung, zu den Messkammern geför­ dert. Mittels der Signalgeber 4 werden nun Signale über die Steu­ er- und Auswerteeinheit erfasst - und eine Grundlinie wird einge­ stellt.

Zu diskreten Zeitpunkten werden weiterhin die in den Messkammern befindlichen Mikroorganismen mit einem definierten BSB-Standard zur Kalibrierung kurzzeitig beprobt, welches messbare Stoffwech­ selreaktionen bewirkt. Die aus den Stoffwechselreaktionen resul­ tierenden Signale werden detektiert und ausgewertet. In Fig. 3 ist ein Messablauf unter Verwendung von Sauerstoff-Elektroden als Signalgeber dargestellt.

Der Abschnitt I zeigt dabei die resultierenden Signale auf zwei aufeinanderfolgende Standardbeprobungen während der Kalibrierung.

Anschließend werden die in den Messkammern befindlichen Mikroorga­ nismen für dieselbe Dauer mit dem Analyten beprobt. Dies stellt die Messphase dar. Der BSB-Wert wird ermittelt, indem die Signale auf die Beprobung mit Analyt mit denen aus der Kalibrierungsphase verglichen werden. Alle Messsignale werden in der Steuer- und Auswerteeinheit erfasst, mathematisch aufgearbeitet und ein BSB- Wert als Messergebnis errechnet, welcher die Verwertung des Analy­ ten durch die eingesetzten Mikroorganismen gegenüber der Verwer­ tung des Standards durch dieselben angibt.

Anwendungsbeispiel 1

Die Laborbestimmung des Biochemischen Sauerstoffbedarfes (BSB) erfolgt nach DIN 38 409, H51 üblicherweise innerhalb von 5 Tagen. In dieser Zeit wird der Sauerstoffverbrauch von Mikroorganismen durch die Oxidation organischer Verbindungen in Proben mit ver­ schiedenen Verdünnungsstufen unter definierten Bedingungen ermit­ telt. Zu der eingesetzten Art der Mikroorganismen gibt es keine Festlegungen. Die Analyse dient meist dazu, Abwässer hinsichtlich ihrer Abbaubarkeit in biologischen Abwasserreinigungsanlagen ein­ zuschätzen.

Aufgrund der langen Analysendauer und des hohen Geräte- und Per­ sonalaufwandes, der auftretenden Fehler, aber auch bezüglich der geringen Vergleichbarkeit zu den eigentlichen Abläufen in biolo­ gischen Prozessen, ist diese Methode nur bedingt aussagekräftig.

Die Erfindung wird genutzt, um im Labor in kurzer Zeit BSB-Werte von Abwässern zu bestimmen.

Als Mikroorganismen kommt eine Mischpopulation aus Flussuferbakte­ rien zum Einsatz, welche in der Messkammer 1 immobilisiert wird. Als Carrier dient Kalium-Phosphatpuffer mit dem pH-Wert 7,0, einer Puffermolarität von 10 mM, einer konstanten Temperatur von 24°C und einem korrespondierendem Sauerstoffgehalt bei Normal­ druck von 8,41 mg/l. Mit dem Carrier wird die Messkammer über­ strömt. Es erfolgt eine sequentielle Beprobung der Mikroorganis­ men in der Messkammer mit einem BSB-Standard mit Komponenten Glu­ kose, L-Glutaminsäure und Harnstoff in definierter Zusammenset­ zung. In der Beprobungsfolge wurde dieser Standard 5 mal mit ver­ schiedenen Kontaktzeiten beprobt. Dieser Vorgang entspricht der Kalibrierung (Phase I). Nachfolgend werden die Mikroorganismen in der Messkamm er mit Abwasser definierter Zusammensetzung und be­ kanntem, rechnerisch ermittelten BSB-Wert, in der gleichen Weise wie in Phase T beprobt. Dies stellt die Messphase dar (Phase II).

Während des gesamten Messablaufes wird die Atmungsaktivität der Mikroorganismen in der Messkammer erfaßt und ausgewertet. Nach erfolgter Messung wird die Messkammer gespült und mit neuen Mikro­ organismen bestückt. Die für weitere Messungen eingesetzten Ab­ wässer enthielten verschiedene BSB-Konzentrationen, welche durch die Erfindung bestimmt wurden.

Die Ergebnisse einer Messreihe sind aus der Tabelle 1 zu entneh­ men. In Spalte 1 sind dabei die mit der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung ermittelten Messwerte zusammengefasst und den in Spalte 2 rechnerisch (aus der genauen Abwasseranalyse resultierend) ermit­ telten Werten gegenübergestellt. In Spalte 3 ist der relative Fehler in Prozent angegeben.

Eine Messung gem. der Erfindung dauerte. 35 Minuten. Dies ergibt eine wesentliche Zeitersparnis gegenüber der üblichen Methode.

Anwendungsbeispiel 2

In biologischen Stufen industrieller Abwasserreinigungsanlagen ist es häufig notwendig und ökonomisch sinnvoll, in Abhängigkeit der oxidierbaren Abwasserfracht Nährstoffe genau zu dosieren. Dazu muß der Anteil biologisch verwertbarer Inhaltsstoffe im Ab­ wasser kontinuierlich gemessen werden.

Mit der Erfindung wird periodisch alle 45 Minuten automatisch der BSB im Zulauf einer biologischen Stufe einer Industrie-Abwasser­ reinigungsanlage detektiert.

Zu diesem Zweck werden automatisch Mikroorganismen aus der Bele­ bungsstufe der Abwasserreinigungsanlage entnommen und in einer Messkammer immobilisiert. Als Carrier diente Leitungswasser mit einer Temperatur von 30°C und einem korrespondierenden Gelöst­ sauerstoffgehalt bei I bar von 7,55 mg/l.

In der Folge erfolgte eine Kalibrierung (Phase I) mit einem BSB- Standard analog Anwendungsbeispiel 1. Danach werden die Mikroor­ ganismen in der Messkammer mit aktuellen Abwasserproben aus dem Zulauf der Abwasserreinigungsanlage analog Phase I beprobt (Phase II).

Messdatenaufnahme und Auswertung erfolgt analog Anwendungsbeispiel 1.

Die Ergebnisse einiger Messwerte sind aus der Tabelle 2 zu entneh­ men. In Spalte 1 sind dabei die mit der Erfindung ermittelten Messwerte zusammengefasst und den in Spalte 2 nach DIN 38 409, Teil 51 ermittelten BSB₅-Werten gegenübergestellt. In Spalte 3 ist zusätzlich der relative Fehler in Prozent angegeben.

Bei Anwendung der Variante mit zwei parallel angeordneten Messkam­ mern ist eine Verdopplung der Probenfrequenzen von 1,33 Proben/h auf 2,67 Proben/h möglich.

Für die Messungen werden die prozesseigenen Mikroorganismen ange­ wandt, wodurch die Nährstoffdosierung prozess-spezifisch gesteuert werden kann.

Tabelle 1

Ergebnisse zum Beispiel 1

Tabelle 2

Ergebnisse zum Beispiel 2

Claims (9)

1. Verfahren zur Überwachung aerober umweltbiotechnologischer Pro­ zesse einschließlich Laboruntersuchungen, dadurch gekennzeich­ net, daß in einem Fließsystem prozesseigene Mikroorganismen in eine Messkammer eingebracht, kalibriert, nachfolgend von Pro­ ben überströmt und Veränderungen von Zustandsgrößen detektiert und ausgewertet werden.

2. Verfahren gem. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wäh­ rend des Messvorganges die prozesseigenen Mikroorganismen in der Messkammer immobilisiert vorliegen.

3. Verfahren gem. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wäh­ rend des Messvorganges die prozesseigenen Mikroorganismen in der Messkammer frei suspendiert vorliegen.

4. Verfahren gem. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Beendigung des Messvorganges eine automatische Reinigung der Messkammer erfolgt.

5. Vorrichtung zur Überwachung aerober umweltbiotechnologischer Prozesse einschließlich Laboruntersuchungen gem. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus einem Fließ­ system mit einer Messkammer 1; einer Steuer- und Auswerte­ einheit 2 - verbunden mit einer Anzeigeeinheit 3 - sowie Pum­ pen und Absperreinrichtungen besteht.

6. Vorrichtung zur Überwachung aerober umweltbiotechnologischer Prozesse einschließlich Laboruntersuchungen gem. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus einem Fließ­ system mit zwei parallel angeordneten Messkammern 1,1 und 1,2; einer Steuer- und Auswerteeinheit 2 - verbunden mit einer An­ zeigeeinheit 3 - sowie Pumpen und Absperreinrichtungen besteht.

7. Vorrichtung gem. den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeich­ net, dass die Messkammern Signalgeber 4 in räumlich enger Kopp­ lung zu den prozesseigenen Mikroorganismen enthalten.

8. Vorrichtung gem. den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeich­ net, dass die Signalgeber 4 vorzugsweise Sauerstoff-Elektroden sind.

9. Vorrichtung gem. den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeich­ net, dass die Messkammern vorzugsweise eine semipermeable Mem­ bran mit einem Porendurchmesser unter 10 µm enthalten.