Projekt 13043/01

Förderschwerpunkt Biotechnologie: Der Einsatz thermophiler Mikroorganismen zur produktionsintegrierten Reinigung fetthaltiger Abwässer in der Lebensmittelindustrie

Projektdurchführung

Technische Universität Hamburg-HarburgArbeitsbereich 2.09Bioprozeß- und Bioverfahrenstechnik
Denickestr. 15
21071 Hamburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Fetthaltige Abwässer aus der Lebensmittelindustrie stellen für die Abwassertechnik ein ungelöstes Problem dar, da Fette nur schlecht bioverfügbar sind und durch mesophile biologische Verfahren nur eine unzureichende Abbauleistung erreicht werden kann. Gegenstand des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung neuer, leistungsstarker Verfahren zum Fettabbau unter Einsatz von neu isolierten, thermophilen Mikroorganismen sowie Mikroorganismenkonsortien. Mit Hilfe mobiler Versuchsanlagen im Pilotmaßstab soll die Leistungsfähigkeit der neuen Technologien vor Ort demonstriert werden. Die Verfahren sollen bis zur Marktreife optimiert werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Forschungsvorhaben wird durch Abbaubarkeitstests verschiedener Abwässer in Laborfermentern mit einem Volumen von 1 - 2 l begonnen. Dazu wird eine Reihe von Optimierungsuntersuchungen mittels kontinuierlicher Fermentationen durchgeführt. Außerdem werden reaktionstechnische Maßnahmen zur Leistungssteigerung ergriffen und entsprechend angepasst. Insbesondere wird beim aeroben Verfahren mit der Spezialkultur die Verwendung von Membranen (Ultrafiltration) untersucht. Vom Labormaßstab wird das Verfahren in den Pilotmaßstab überführt. Hierzu wird eine mobile Membranbiologie-Pilotanlage gebaut und auf Firmengeländen eingesetzt. Für den aeroben Organismus werden zuerst eine Reihe von Untersuchungen zur Ölsäureinhibierung und deren Vermeidung durch prozesstechnische Eingriffe wie z. B. der Einsatz eines Extraktionsmittels durchgeführt. Gleichzeitig werden Verfahren zur kostengünstigen Bereithaltung des nicht ubiquitär vorkommenden Organismus auf ihre Anwendbarkeit überprüft. Neben dem aerob thermophilen Verfahren wird die anaerobe Abbaubarkeit hoch belasteter Abwässer untersucht. Auch hier werden zunächst Laborexperimente durchgeführt. Vor-Ort-Untersuchungen werden in einer zweiten mobilen Biogas-Turmreaktorpilotanlage durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Im ersten Jahr des Projekts wurden anaerob thermophile und mesophile sowie aerob thermophile Abbaubarkeitsuntersuchungen von Abwässern der Frostfischverarbeitung durchgeführt. Der hohe Zeitaufwand für Bau und Betrieb einer mobilen Biogas-Turmreaktor-Pilotanlage machte die Beschränkung auf dieses Abwasser erforderlich, das weitgehend stark organisch belastet war. Aufgrund dieser Belastung wurde ein anaerobes Verfahren favorisiert. Im Rahmen der anaeroben Behandlung konnte ein Abbau von bis zu 90 % erreicht werden.
Im zweiten Jahr der Projektlaufzeit wurden die Abwasseruntersuchungen auf weitere Abwasserarten der Lebensmittelindustrie ausgedehnt. Es wurde die Abbaubarkeit von Abwässern aus der Speiseeis-, Speiseöl-, Gewürzöl-, Fertigsuppen- und Feinkostsalatherstellung sowie einer Großküche untersucht. Eine grundsätzliche Abbaubarkeit abhängig vom Belastungsgrad wurde bei allen Abwassertypen, außer den Proben aus der Speiseölherstellung, mit dem aeroben oder anaeroben Verfahren festgestellt. Im Verlauf der Untersuchungen ergaben sich jedoch weitere Aspekte (Abwasseranfall, dafür zu zahlende Einleitergebühren usw.), welche die Festlegung von Prioritäten im Hinblick auf eine mögliche technische Anwendung für Experimente im Pilotmaßstab ermöglichten. Nach erfolgreichen aeroben Abbaubarkeitstests von Abwasser der Fleischgewürzherstellung im Labormaßstab wurde eine mobile Membranbiologie-Pilotanlage in Betrieb genommen, die aerob thermophil arbeitet und Ultrafiltrationsmodule zur Zellrück-haltung einsetzt.
Im dritten Jahr wurden Untersuchungen zur Bereithaltung der aeroben Kultur von Geobacillus thermoleovorans IHI-91 unter technischen Bedingungen durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass eine einfache Kühllagerung des feuchten Zellkonzentrats technisch wie betriebswirtschaftlich die beste Form der Lagerung ist. Gleichzeitig wurden Experimente zur Bekämpfung der Ölsäureinhibierung durchgeführt. Hierbei stellte sich heraus, dass die hemmende Konzentration stark von der vorliegenden Zelldichte abhängt, d.h. bei hoher Zelldichte - wie im Reaktor mit Zellrückhaltung-, eine hohe Ölsäuretoleranz vorliegt. Weiterhin wurde festgestellt, dass spontane Überschreitungen der hemmenden Konzentration durch Zugabe eines Extraktionsmittels, wie z. B. Eicosan, vermieden werden können.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Vorträge
· GVC/DECHEMA-Fachausschusssitzung Produktionsintegrierte Wasser-/Abwassertechnik 18.-19.09.01 in Bremen
Reimann, I., Fricke, A., Märkl, H.: Behandlung fetthaltiger Abwässer der Lebensmittelindustrie mit einem thermophilen Mikroorganismus
· Colloquium Produktionsintegrierte Wasser-/Abwassertechnik am 16./17.09.02 in Bremen
Reimann, I., Märkl, H., Eggers, R.: Problematik und Lösungsansätze zur produktionsintegrierten Reinigung von Abwässern der speiseölherstellenden und -verarbeitenden Industrie
· DECHEMA-Arbeitsausschuss Umweltbiotechnologie am 05.02.03 in Frankfurt
Reimann, I., Märkl, H.: Energetische Bewertung zweier thermophiler Verfahren zur Behandlung fetthaltiger Abwässer
Veröffentlichungen
· Thermophile Mikroorganismen für die Reinigung fetthaltiger Abwässer in der Sonderausgabe des BIOspektrums 2001
· Reimann, I., Klatt, A., Märkl, H. (2002): Behandlung fetthaltiger Abwässer der Lebensmittelindustrie mit einem thermophilen Mikroorganismus. CIT 74(4): 508-512.
· Reimann, I., Klatt, A., Märkl, H. (2002): Treatment of Wastewater Containing Fat from Food Industry with a Thermophilic Microorganism. Eng. Life Sci. 2(12): 398-401.
· Reimann, I., Göttsche, A., Müller, R., Märkl, H. (2002): Reinigung fetthaltiger Abwässer d. Frostfischindustrie mit thermophilen Mikroorganismen. Poster. GVC/DECHEMA-Jahrestagung, Wiesbaden.


Fazit

Das Verfahren, kurze Laborabbaubarkeitstests durchzuführen und dann schnell in den Pilotmaßstab überzugehen, hat sich bewährt. Die Situation vor Ort stellt sich meist anders dar als unter Laborbedingungen. Der Biogas-Turmreaktor ist durch die Piloteinsätze mit Projektabschluss technisch ausgereift. Das aerobe Verfahren mit G. thermoleovorans IHI-91 ist noch bezüglich der Zellrückhaltung ener-getisch zu optimieren. Schwierig ist zzt. die Konkurrenz von High-tech-Verfahren gegenüber noch relativ geringen Einleitergebühren und Trinkwasserkosten. Eine hygienische Brauchwassergewinnung stößt bislang nur auf wenig Interesse. Der technische Einsatz der hoch entwickelten Verfahren ist z. Zt. nicht nur unter dem Kostengesichtspunkt, sondern auch bei Abwässern, die sich in unverdünnter Form anders gar nicht behandeln lassen, denkbar.