DE29607032U1 - Vorrichtung zur Erfassung des mikrobiologischen Abbauverhaltens von festen und flüssigen Stoffen unter aeroben Bedingungen - Google Patents

Description

• »

Anmelder:

Herr Dr. Ing.
Wolf-Rüdiger Müller
Honigwiesenstraße 37

70563 Stuttgart

Frau Anja Schäfer
Sternecker Straße 16

70563 Stuttgart

2921 006 W/sch/dr 17.04.1996

WP95/20

Titel: Vorrichtung zur Erfassung des mikrobiologischen Abbauverhaltens von festen und flüssigen Stoffen unter aeroben Bedingungen

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung des mikrobiologischen Abbauverhaltens von festen und flüssigen Stoffen mit einer manostatisch abgeschlossenen Gerätekonfiguration zur Messung des biochemischen Sauerstoffbedarfs, die ein Reaktionsgefäß, ein Testgefäß zur Sauerstofferzeugung und ein Manometer aufweist.

Die Erfassung des mikrobiologischen Abbauverhaltens von Stoffen, d.h. die biologische Abbaubarkeit, erfolgt normalerweise durch die Feststellung des biochemischen

• ft ♦ ·

Sauerstoffbedarfs (BSB). Dabei wird der zu untersuchende Stoff mit Mikroorganismen versetzt, die diesen Stoff als Energie- und Kohlenstoffquelle verwenden können. Beim Abbau des Stoffes wird Sauerstoff verbraucht. Der Sauerstoffverbrauch wird gemessen.

Zur Bestimmung des biologischen Sauerstoffbedarfs dient z.B. ein sog. Respirometer. Das Respirometer besteht aus einem Reaktionsgefäß mit einem ein festes Absorptionsmittel enthaltenden Kohlendioxid-Absorptionsgefäß im Kopfraum, einem Testgefäß zur elektrochemischen Sauerstofferzeugung und einem Flüssigkeits-Manometer. Es handelt sich um ein manostatisch geschlossenes System, welches einen konstanten Druck beibehält. Bei biologischen Abbauvorgängen verbrauchen die Mikroorganismen Sauerstoff und produzieren Kohlendioxid. Das enstehende Kohlendioxid wird am festen Absorptionsmittel (z. B. Natronkalk-Pellets) vollständig gebunden. Durch den Sauerstoffverbrauch entsteht ein Unterdruck im Reaktionsgefäß, der über das Flüssigkeits-Manometer mittels eines Kontaktgebers die elektrolytische Sauerstofferzeugung im Testgefäß steuert. Wenn der Ausgangsdruck wieder erreicht ist, wird die Elektrolyse beendet. Der Stromverbrauch wird aufgezeichnet. Der Wert der verbrauchten Sauerstoffmenge ist proportional der Elektrizitätsmenge (auch Ladungsmenge in C). Mit Hilfe dieses Geräts läßt sich der Sauerstoffverbrauch als Funktion der Zeit verfolgen.

• t · 4 > . · · ei

Es ist auch bekannt, zur Absicherung der Meßwerte die Menge des gebildeten Kohlendioxids nach Abschluß der Reaktion zu bestimmen (DE 295 07 428 Ul).

Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß damit das biologische Abbauverhalten nur indirekt über den Sauerstoffverbrauch und nicht über das Stoffwechselendprodukt Kohlendioxid erfolgt und damit nicht die vollständige Abbaubarkeit oder auch Mineralisation eines Stoffs zu CO₂ nachgewiesen werden kann. Dieser Respirometer erlaubt in der beschriebenen Ausführung keine analytisch einwandfreie Bestimmung der Mineralisation.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, durch die dieser Nachteil vermieden wird, die eine kontinuierliche Messung erlaubt und die ausgehend von bekannten Vorrichtungen, leicht und einfach herstellbar ist.

Die Lösung besteht darin, daß im Reaktionsgefäß ein für Kohlendioxid durchlässiges Absorptionsgefäß zur Absorption von Kohlendioxid in einem flüssigen Medium vorgesehen ist mit einer Meßeinrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung der Kohlendioxidmenge parallel zur Messung des biochemischen Sauerstoffbedarfs.

Mit der erfindunsgemäßen Vorrichtung können also sowohl der Sauerstoffverbrauch als auch die Kohlendioxidproduktion parallel und kontinuierlich erfaßt werden. Mit der CO₂-

Bestimmung werden im Unterschied zum Stand der Technik die das mikrobiologische Abbauverhalten manifestierenden Endparameter kontinuierlich erfaßt. Der im Kohlendioxid enthaltene Kohlenstoff stammt einzig aus der zu prüfenden Substanz. Damit besteht für die Messung nicht nur eine größere Sicherheit, sondern erlaubt auch die Aufstellung einer Kohlenstoffbilanz, da das gebildete Kohlendioxid direkt gemessen wird. Die kontinuierliche Aufzeichnung erlaubt auch eine Automatisierung der Messung bzw. der Aufzeichnung und Auswertung der Meßwerte.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorteilhafterweise so konzipiert, daß eine bekannte, käuflich erwerbliche Vorrichtung, nämlich das sog. Respirometer mit einfachen Mitteln umzurüsten ist.

Als Meßeinrichtung kann z. B. eine Leitfähigkeitselektrode zur kontinuierlichen konduktometrischen Bestimmung der Kohlendioxidmenge über die Leitfähigkeitsänderung einer das Kohlendioxid absorbierenden Flüssigkeit dienen. Das Absorptionsgefäß ist z. B. mit einer Hydröxid-Lösung gefüllt und für Kohlendioxid durchlässig. Es enthält außerdem die Leitfähigkeitselektrode, mit der die durch die Absorption von Kohlendioxid verursachte Leitfähigkeitsänderung der Lösung kontinuierlich aufgezeichnet wird.

Die konduktometische Bestimmung nutzt die hohe Absorptionsfähigkeit von Hydroxid-Lösungen bezüglich

gasförmigem Kohlendioxid. Das entstehende Kohlendioxid wird in der Hydroxid-Lösung aufgefangen. Dadurch ändert sich deren Leitfähigkeit linear bis zu einem pH von 11. Durch vorherige Eichung mit bekannten Mengen von Kohlendioxid kann aus der Änderung der Leitfähigkeit über die Eichkurve die Menge des von der Hydroxid-Lösung aufgenommenen Kohlendioxids bestimmt werden.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine teilweise geschnittene, schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Figur 2A eine vergrößerte, teilweise geschnittene Darstellung des Reaktionsgefäßes aus Figur 1;

Figur 2B eine andere Ausführungsform des Reaktionsgefäßes aus Figur 1;

Figur 3 eine Eichgerade für die Kohlendioxid-Bestimmung;

Figur 4 eine Darstellung der linearen Beziehung zwischen Leitfähigkeitsänderung und CO_a-Absorption; und

Figur 5 eine grafische Darstellung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Meßwerte.

Die in Figur 1 schematisch dargestellte Vorrichtung 1 ist eine Abwandlung eines Respiroraeters, mit dessen Hilfe sich der Sauerstoffverbrauch als Funktion der Zeit verfolgen läßt. Es handelt sich dabei um eine manostatisch geschlossenes System, welches einen konstanten Druck beibehält. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist, ausgehend vom bekannten Respirometer, ein Reaktionsgefäß, ein Testgefäß zur Sauerstofferzeugung und ein Manometer auf.

Das Reaktionsgefäß ist im Ausführungsbeispiel eine Dreihals-Flasche 2 aus Glas. Im Innenraum 3 der Flasche 2 befinden sich die Probe 4 und ein Magnetrührstab 5.

Am Kopf der Flasche 2 sind die Hälse 6, 7, 8 vorgesehen. Die Hälse 6 und 7 besitzen ein Außengewinde 9, 10 (GL 14), während der Hals 8 einen Normflansch 11 aufweist. Der Hals 6 dient zur Entlüftung bzw. zum Druckausgleich und kann mit einem Septum 12 verschlossen sein, um die Entnahme von Proben zu ermöglichen. Der Hals 7 dient der Zufuhr von Sauerstoff. Der Hals 8 weist einen größeren Durchmesser auf. In den Flansch ist gasdicht eine Vorrichtung 13 zur kontinuierlichen Erfassung des produzierten Kohlendioxids eingepaßt. Sie weist ein Absorptionsgefäß 14 auf, das mit einem Kohlendioxidabsorbierenden Medium, zum Beispiel Natriumhydroxid-Lösung 15,

gefüllt ist und ferner einen weiteren Magnetrührstab 16 enthält. Der Boden des Absorptionsgefäßes 14 mit dem Magnetrührstab 16 ist so tief in der Flasche 2 angebracht, daß der darin befindliche Magnetrührstab 5 den Magnetrührstab 16 antreiben kann. In die Lösung ragt eine Leitfähigkeitselektrode 17. Sie ist über eine Leitung 18 mit einer Kontrolleinheit 61 verbunden, die die von der Leitfähigkeitselektrode 17 gemessenen Werte registriert. Im Ausführungsbeispiel wurde ein CDC 641 T Leitfähigkeitsmeßzelle mit Temperatursensor und ein CDM 210 Labor-Konduktometer von Radiometer verwendet.

In Figur 2 ist das Reaktionsgefäß 2 noch einmal vergrößert dargestellt. Das Absorptionsgefäß 14 mit der Leitfähigkeitselektrode 17 ist gasdicht in den Hals 8 der Dreihals-Flasche 2 eingepaßt. Das Absorptionsgefäß 14 weist einen Flansch 19 auf, unterhalb dessen Öffnungen 14' zum Durchtritt des entstehenden Kohlendioxids vorgesehen sind. An der Ober- und Unterseite des Flansches 19 befinden sich je eine Ringdichtung 20, 21. Die untere Ringdichtung 20 sitzt auf dem Rand 8' des Halses 8 auf, während die obere Ringdichtung 21 in eine entsprechende Ausnehmung 23 eines Einsatzes 22 eingepaßt ist. Der Einsatz 22 umgreift mit seinem oberen Teil 24 den Flansch 19 des Absorptionsgefäßes 14 und ragt mit seinem unteren Teil 28 in dieses hinein. Der den Flansch 19 umgreifende Teil 24 weist ein Außengewinde 25 auf, auf das eine Überwurfmutter 26 aufschraubbar ist. Die überwurfmutter

26 wird durch einen Haltering 27 auf ihrer Innenseite am Flansch 11 des Halses 8 der Flasche 2 gehalten.

Der in die Öffnung 8 ragende Teil 28 des Einsatzes 22 umschließt die Leitfähigkeitselektrode 17, die durch eine Öffnung 28' hindurchtritt. Zur weiteren Abdichtung sind zwei Ringdichtungen 29, 30 vorgesehen. Die Ringdichtungen 29, 30 sitzen in einer Vertiefung 28 " des Teils 28 und werden seitlich gegen die Leifähigkeitselektrode gepreßt.

Die Leitfähigkeitselektrode 17 wird ferner von einer Dichtmaschette umschlossen. Die Dichtmanschette 31 weist einen im wesentlichen konusförmigen oberen Teil 32 mit einem Rand 33 •und einen zylinderförmigen Teil 34 auf, der die Leitfähigkeitselektrode 17 umschließt. Die Außenkontur der Dichtmanschette 31 entspricht also der Innenkontur des Einsatzes 22. Der zylinderförmige Teil 34 preßt zusätzlich die Ringdichtungen 29, 30 gegen die Leitfähigkeitselektrode 17. Auf diese Weise sind sowohl die Leitfähigkeitselektrode 17 als auch das Absorptionsgefäß 14 gasdicht in die Dreihals-Flasche 2 eingepaßt. Durch Austausch des Reaktionsgefäßes kann ein handelsübliches Respirometer zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung umgerüstet werden.

Figur 2B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Reaktionsgefäßes 2. Der Unterschied liegt in der Ausführung der Abdichtung der Elektrode 17 am Normflansch 11 des Halses

8. Das Absorptionsgefäß 114 weist nunmehr keinen Flansch, sondern einen gebogenen Rand 119 mit erweitertem Durchmesser auf. Dieser Rand 119 sitzt am unteren Ende des Halses 108 auf, dort wo dieser eine Einschnürung 108' aufweist. Als Resultat braucht nur noch die Elektrode 17 gasdicht abgedichtet zu werden. Eine Abdichtung des Absorptionsgefäßes 114 entfällt. Die Abdichtung erfolgt durch einen Einsatz 124 und einen Schraubkopf 132, zwischen denen eine außenzentrierte Ringdichtung 129 gehalten ist. Der Einsatz 124 weist einen zylinderförmigen Korpus 128 auf, in dessen Boden eine Durchtrittsöffnung 128' für die Elektrode 17 vorgesehen ist, sowie einen Flansch 124', der auf dem Flansch 11 des Halses 108 des Reaktionsgefäßes 2 aufsitzt. An der Innenseite des Korpus 128 befindet sich ein Innengewinde 125, das mit einem Außengewinde 132' des Schraubkopfes 132 korrespondiert. Der Schraubkopf 132 wird in den Korpus 128 eingeschraubt und drückt dabei eine Ringdichtung 129 gegen den Boden des Korpus 128. Die Ringdichtung 129 liegt eng an der Elektrode 17 an und sorgt für eine sichere Abdichtung.

Zwischen dem Flasch 124' des Einsatzes 124 und dem Flansch 11 des Halses 108 befindet sich eine weitere Ringdichtung 123, die in eine Halterung 123' eingesetzt ist. Diese außenzentrierte Ringdichtung 123 wird mit Hilfe einer Zentriereinheit 126 fest zwischen den beiden Flanschen zusammengepreßt. Die Zentriereinheit 126 besteht aus zwei Ringen 126', 126", die von einem mit einem Außengewinde

versehenen Abstandhalter 127 in einem definierten Abstand zueinander gehalten werden. Dieser Abstand kann mit Hilfe von Flügelmuttern 127' verändert werden.

Diese Art der Abdichtung ist im Aufbau einfach und auch sicher.

Das in Figur 1 dargestellte Testgefäß 40 ist ebenfalls eine Flasche 40, jedoch nur mit einer Öffnung 41. Sie ist mit einer Kupfersulfatlösung 42 gefüllt und enthält ein Elektrolysesystem 43 zur elektrolytischen Produktion von Sauerstoff. Dabei befindet sich die Anode 44 im Zentrum und die Kathode 45 an der Peripherie des Systems 43. Das •Elektrolysesystem 43 ist über eine Schlauchleitung 46 mit dem Hals 7 der Dreihals-Flasche 2 verbunden. Eine weitere Leitung 47 führt zu einem Flüssigkeits-Manometer 50 und eine dritte Leitung 48 (elektrischer Anschluß) zu einer Kontrolleinheit 62, die den Stromverbrauch registriert.

Der dritte Bestandteil der Vorrichtung ist das Manometer 50 mit vier öffnungen 51 bis 54. Der Innenraum 55 des Manometers 50 ist mit einem Elektrolyten 56 gefüllt. Zwei Elektroden 57, 58 ragen in den Elektrolyten 56 hinein. Die Elektroden 57 und 58 münden in die öffnungen 51 und 52 und sind über Leitungen 59, 60 mit der Kontrolleinheit 62 verbunden. In die Öffnung 53 mündet die Leitung 47 zum Testgefäß 40. Die Öffnung 54 dient

11

zum Druckausgleich; über sie kann auch Elektrolyt nachgefüllt werden.

Die Kontrolleinheiten 61, 62 sind mit einem Computer verbunden, der die von den Kontrolleinheiten 61, 62 registrierten und gespeicherten Meßwerte auswertet.

Das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbare Verfahren läuft wie folgt ab:

Bei biologischen Abbauvorgängen verbrauchen die Mikroorganismen Sauerstoff und produzieren Kohlendioxid. Durch den Sauerstoffverbrauch entsteht ein Unterdruck im •Reaktionsgefäß 2, der über das Flüssigkeits-Manometer 50 die elektrolytische Sauerstofferzeugung im Testgefäß 40 steuert. Bei Unterdruck steigt der Spiegel des Elektrolyten 56 im Inneren des Manometers 50, bis er in Kontakt mit den Elektroden 57, 58 tritt. Dann wird über die Kontrolleinheit die Elektrolyse im Testgefäß 40 gestartet. Wenn der Ausgangsdruck wieder erreicht ist, sinkt der Flüssigkeitsspiegel im Manometer 50 wieder, und die Elektrolyse wird beendet. Dabei wird 30 s lang ein Strom von 100 mA bei einer Flüssigkeitsmenge im Probegefäß von 250 ml erzeugt. Dadurch wird bei jedem Schaltzyklus eine Sauerstoffmenge eingetragen, die einer Konezentration von mg/L 02 entspricht. Der Wert des benötigten elektrischen

Stromes ist proportional der verbrauchten Sauerstoffmenge, die kontinuierlich von der Kontrolleinheit 62 aufgezeichnet wird.

Zunächst werden zur Erstellung einer Eichgerade definierte Mengen an Kohlendioxid produziert. Entweder wird eine Natriumhydrogenkarbonat-Lösung mittels eines Dosimaten kontinuierlich zu einem Überschuß an Salzsäure zudosiert oder Natriumkarbonat-Pulver wird eingewogen und über ein Septum mittels einer Spritze ein Überschuß an Salzsäure zugegeben. Im Ausführungsbeispiel erwies sich die Zudosierung von Natriumkarbonat-Lösung zu Salzsäure als besonders geeignet. Die besten Werte wurden mit 50 ml 1-molare Natronlauge erzielt, da bei dieser Menge sowohl die Genauigkeit als auch die Aufnahmekapazität zufriedenstellend sind. Die mit dem Computersimulationsprogramm Equil berechnete maximale Aufnahmekapazität von 25 mmol Kohlendioxid ließ sich empirisch bestätigen und ist ausreichend für einen durchschnittlichen Abbauversuch. Die Eichgerade (vgl. Figur 3) wurde mit ingesamt acht temperaturkompensierten Meßwerten erstellt. Als Eichwert ergaben sich 0,214 mmol/(mS/cm) CO₂. Dies entspricht 9,42 mg/(mS/cm) CO₂. Da die Geräteauflösung 0,1 mS/cm beträgt, entspricht der Eichwert einer Anzeige von 0,942 mg Kohlendioxid. Mehrere mit diesem Eichwert berechnete Probemessungen ergaben im Bereich von 1 mmol Kohlendioxid einen Fehler als weniger von ± 4 % bezüglich der gemäß der Natriumkarbonat-Einwaage zu erwartenden Kohlendioxidmenge. In

Figur 4 ist die lineare Beziehung zwischen Leitfähigkeitsabnahme und Kohlendioxidproduktion illustriert.

Zum Abbauversuch wurde Polyhydroxybuttersäure (PHB) eingesetzt. 250 mg PHB BX G09 wurde in 250 ml phosphatgepuffertes Mineralsalzmedium eingewogen und mit einem Volumenanteil des Belebtschlamms von 1 % angeimpft. Der Belebschlamm wurde zuvor 4 Stunden belüftet und hatte einen Proteingehalt von 1,04 g/l. Die mit den Mikroorganismen und Nährstoffen auf definierte Ausgangsbedingungen eingestellte Probe wird im Reaktionsgefäß 2 durch den Magnetrührstab 5 intensiv durchmischt, wodurch der Gasaustausch zwischen Luftraum und Flüssigkeit sichergestellt wird.

Beim Abbau von 250 g PHB werden zum Beispiel 12 mmol Kohlendioxid produziert und 13 mmol Sauerstoff verbraucht. Bei einer auf 0,1 mS/cm genauen Leitfähigkeitsmessung lag die Auflösung der Kohlendioxid-Messung bei unter 1 mg. Der genaue Wert ist dabei abhängig vom jeweils benutzten Leitfähigkeitsmeßgerät. Bei der Messung mit dem Standard-Respirometer wird der Sauerstoffverbrauch auf 1 mg genau bestimmt.

Der Abbauversuch mit PHB zeigt, daß es möglich ist, die bestehende Vorrichtung zur Messung des Sauerstoffverbrauchs durch eine einfache Zusatzausrüstung so zu verbessern, daß

parallel dazu die produzierte Kohlendioxidmenge kontinuierlich bestimmt werden kann.

Claims (13)

SCHUTZANSPRÜCHE

1. Vorrichtung (1) zur Erfassung des mikrobiologischen Abbauverhaltens von festen und flüssigen Stoffen unter aeroben Bedingungen mit einer manostatisch abgeschlossenen Gerätekonfiguration zur Messung des biochemischen Sauerstoffbedarfs, die ein Reaktionsgefäß (2), ein Testgefäß (40) zur Sauerstofferzeugung und ein Manometer (50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktionsgefäß (1) ein für Kohlendioxid durchlässiges Absorptionsgefäß (14) zur Absorption von Kohlendioxid in einem flüssigen Medium vorgesehen ist mit einer Meßeinrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung der Kohlendioxidraenge parallel zur Messung des biochemischen Sauerstoffbedarfs.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine C0₂-Sonde ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch"gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine Leitfähigkeitselektrode (17) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsgefäß (14) mit Natriumhydroxid- oder Kaliumhydroxid-Lösung gefüllt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsgefäß (14) gasdicht mit dem Reaktionsgefäß (2) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsgefäß (14) einen Einsatz (22) aufweist, mit dem das Reaktionsgefäß (2) gasdicht verschließbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (22) mit einer Überwurfmutter (26) fixiert und gegen das Reaktionsgefäß abgedichtet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (22) eine Öffnung zur Aufnahme der Elektrode (17) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (17) von einer Dichtmanschette (31) umschlossen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtmanschette (31) im Einsatz (22) gasdicht aufgenommen ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsgefäß (14) an seinem oberen Ende mindestens eine öffnung aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gerätekonfiguration ein Respirometer ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gerätekonfiguration mit einer EDV-Anlage (61, 62, 63) zur Aufzeichnung und Auswertung der Meßwerte verbunden sind.