DE19917955A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung aerober umweltbiotechnologischer Prozesse - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung aerober umweltbiotechnologischer ProzesseInfo
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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.
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.
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.
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.
Priority Applications (1)
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