Projekt 02612/01

Bestimmung und Optimierung der anaeroben Abbaubarkeit in Screening-Tests mit einem automatisierten Meßgerät (METHANOMAT)

Projektdurchführung

Universität StuttgartInstitut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- undAbfallwirtschaftAbt. Biologie
Bandtäle 2
70569 Stuttgart

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bestimmung und Optimierung der biologischen Abbaubarkeit unter strikt anaeroben Bedingungen mit einem vollautomatisierten Meßgerät (METHANOMAT).
Obwohl die Bedeutung anaerober Behandlungsverfahren in der Abwasser- und Abfallbehandlung stetig zunimmt, standen zu Projektbeginn für anaerobe Testsysteme im Vergleich zu aeroben keine entsprechenden automatisierten Meßgeräte zur Verfügung. Die Prüfung der anaeroben Abbaubarkeit unter Ein-beziehung der wichtigsten Prozeßparameter ist mit einem hohen zeitlichen und apparativen Arbeitsaufwand verbunden. Dies ist mit ein Grund, daß sich bislang nahezu alle Testverfahren zur Prüfung der biologischen Abbaubarkeit (z.B. OECD-Guidelines, 1992) auf aerobe Bedingungen beschränkten. Dieser Nachweis erlaubt jedoch nicht unmittelbar den Schluß eines Abbaus unter anaeroben Bedingungen und umgekehrt. Bei neuen chemischen Verbindungen, aber auch z.B. bei biologisch abbaubaren Werkstoffen (BAW) ist deswegen zu ermitteln, ob diese Produkte auch anaerob umsetzbar sind. Sonst akkumulieren sie nach Freisetzung möglicherweise in anaeroben Umweltkompartimenten (z.B. Fluß- u. Seesedimenten), ggf. mit ökologisch nachteiliger Wirkung. Das Untersuchungsspektrum der Abbaubarkeit muß deshalb mit der Prüfung unter anaeroben Bedingungen ergänzt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenTestsysteme zur anaeroben biologischen Abbaubarkeit müssen den besonderen Anforderungen dieses Abbaugeschehens entsprechen. Hierzu gehört die Einhaltung der Prozeßbedingungen (u.a. Gasdichtigkeit, strikte Anaerobie) sowie Erfassung aller für die Beurteilung des Abbaugeschehens relevanter Prozeßparameter. Bei schwach gepufferten Medien kann eine Versäuerung eintreten (Bildung organischer Säuren n. Hydrolyse komplexer Verbindungen in acidogener/acetogener Stufe), die hemmend auf den Abbauprozeß wirkt. Deswegen ist ein Säure-Lauge-Dosiersystem zur pH-Konstanz vorzu-sehen.
Eine Testeinheit besteht aus Reaktionsgefäß, Gas-Sammel-System (Kolbenhub-Vorrichtung), IR-Sensoren bzw. Mikro-GC zur Detektion von CO2 und CH4, pH-, Redoxelektrode und Mikropumpen zur Säure- und Laugedosierung. Der einfachen Handhabung und der Gasdichtigkeit wegen, sind alle Meßkomponenten in einem Multifunktionskopf zusammengefaßt. Die Überwachung und Steuerung erfolgt mit Hilfe eines PC und einem zu MS-Windows kompatiblen Meßwerterfassungsprogramm.
Beim Ansetzen einer Testreihe können alle Meßsonden am Multifunktionskopf vorbereitet und ggf. neu kalibriert werden. Durch Schließen einer einzigen Verbindung läßt sich das Gefäß mit dem Testansatz anbringen. Damit wird der Anforderung Rechnung getragen, aufgrund der Sauerstoffempfindlichkeit anaerober Biozönosen rasch zu arbeiten.
Ein einfaches Schaltmanometer erlaubt eine quasi isobare Betriebsweise. Geringe Drucksteigerungen durch Biogasproduktion werden so erfaßt und in ein Steuersignal umgewandelt. Dabei wird der Kolben der Gassammelbürette soweit zurückgefahren, bis durch diese Gasraumvolumenzunahme der ge-ringe Überdruck kompensiert wird (volumetrisches System). Die Anzahl der Schaltzyklen ergibt ein der Gasproduktion proportionales Signal. Die Bestimmung von CO2 und CH4 im Gas erfolgt durch neuartige, kostengünstige Infrarot-Sensoren mit hoher Meßgenauigkeit, die erstmals in dieser Anwendung (online und in-situ) eingesetzt wurden. Jede Meßzelle ist dabei analytisch autark und unabhängig von den anderen Zellen. Zur Simula-tion natürlicher Systeme mit schwacher Pufferung ist die Meßeinheit mit einer pH- und Re-dox-erfassung ausgestattet. Der pH-Wert wird durch ein Säure- und Laugedosierung konstant gehalten oder nach Vorgabe verändert. Aufgrund betriebsbedingter Probleme des Industriepartners wurde das Projekt bis 30.09.97 verlängert.


Ergebnisse und Diskussion

Betriebserfahrungen: Die Gasdichtigkeit des Systems wurde mehrfach mit einer Helium-Druckmessung überprüft. Sie war auch in Langzeitversuchen gewährleistet. Atmosphärische Durckschwankungen hatten keinen Einfluß auf den Innendruck. Von der Säure- und Laugedosierpumpeinheit wird eine lange Standzeit verlangt, sie darf nicht zum Druckausgleich System - Umgebung führen. Diese Vorgaben waren durch softwaregesteuerte Fixvolumen-Mikropumpen einzuhalten. Zur Bestimmung von CO2 und CH4 wurden zwei Methoden geprüft. Die ex-situ Analyse des Gases aus den Meßzellen, mit einem Mikro-GC bei externer Probennahme war aufgrund technischer, vom Hersteller nicht behebbarer Probleme für Routinetests nicht oder nur bedingt geeignet. Die andere Methode basiert auf einer neuartigen, miniaturisierten Infrarot-Sensortechnik. Jede Meßzelle wurde zur in-situ Messung mit einem Dualsensormodul (CO2, CH4) ausgestattet. Die Untersuchungen waren so erfolgreich, daß ein System mit zwei Meßzellen für den thermophilen Be-reich (bis 60°C) ausgebaut wurde.
In praxisnahen Versuchen wurden u.a. polymere Substanzen wie Poly-ß-hydroxybuttersäure (PHB) und Poly-e-caprolacton (PCL) getestet. Hierbei ließ sich als weiterer Parameter des anaeroben biologischen Abbaus die Bedeutung einer Versäuerung (PHB) dokumentieren. Dies erlaubt sehr früh beim anaeroben Abbau einer Substanz eine Aussage über ihr Abbaupotential.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- Jörg, R.; Müller, W.-R.. (1995): Bestimmung und Optimierung der anaeroben Abbaubarkeit in Screening Tests mit einem automatisierten Meßgerät (Methanomat), Poster, Dechema-Jahrestag., Wiesbaden, 30.5. bis 01.06.1995
- Jörg, R.; Müller, W.-R. (1995): Methanomat, an automatized screening test device for the examination of anaerobic biodegradation, Poster, 4th. Internat. Workshop on Biodegradable Polymers, Durham, New Hampshire, USA, Oct. 1995
- Jörg, R.; Müller, W.-R. (1996): Einsatz von neuartigen Infrarotsensoren zur Bestimmung von CO2 und CH4 in einem anaeroben Testsystem, Poster, Dechema-Jahrestag., Wiesbaden, 21. bis 23.05.1996
- Jörg, R.; Müller, W.-R. (1996): Automatisiertes Testgerät zur Bestimmung der biologischen Abbaubarkeit in Screening-Tests unter strikt anaeroben Bedingungen, Poster, 1. For. BioRegio, Stuttgart, 20. bis 21.09.1996.
- Jörg, R.; Schäfer, A.; Fink, A.-B.; Boley, A.; Müller, W.-R. (1996): Weiterentwicklung von Testverfahren zur Untersuchung der biologischen Abbaubarkeit im wäßrigen Milieu unter aeroben, anoxischen und anaeroben Bedingungen, Poster, Fachgespräch, Wissenschaftszentrum, Bonn, 17.12.1996
- Jörg, R.; Müller, W.-R. (1997): Testverfahren zur Bestimmung der biologischen Abbaubarkeit unter anaeroben Bedingungen, Vortrag: Technische Universität Hamburg-Harburg, 31.01.1997
- Der Methanomat wurde bei der ACHEMA 97, Frankfurt, einem internationalen Messepublikum vorge-stellt, ACHEMA 97, 08. bis 14.06.1997.
- Jörg, R.; Schäfer, A.; Boley, A.; Müller, W.-R. (1997): Testverfahren und neue Entwicklungen zur Untersuchung der biologischen Abbaubarkeit in wäßrigem Milieu unter aeroben, anaeroben und anoxi-schen Bedingungen, Vortrag: Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe, 14.11.1997.
- Der Methanomat wurde auf der Innovations-Messe Wirtschaft trifft Wissenschaft, Stuttgart, einem interessierten Messepublikum vorgestellt, Messe Stuttgart, 08. bis 09.12.1998.


Fazit

Der METHANOMAT ist ein leistungsfähiges, vollautomatisiertes Gerät zur Bestimmung der anaeroben biologischen Abbaubarkeit. Der Einsatz neuartiger Infrarot-Sensoren erlaubt darüber hinaus eine preisgünstige, hochpräzise online und in-situ Bestimmung der Biogaskomponenten CO2 und CH4.