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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Reinigen von Abwasser oder anderen, organische Verschmutzungen
erhaltenden Fluiden gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Die biologische Abwasserreinigung
gewinnt zunehmende Bedeutung. In der
DE 10149447 A1 wird ein Verfahren zur Reinigung
von Abwasser vorgestellt, bei dem eine Mischung von Mikroorganismen
zugegeben wird, die einen Anteil von Licht emittierenden Organismen
und einen Anteil von photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen
enthält, die
durch das von den erstgenannten Mikroorganismen emittierte Licht
angeregt werden und die organischen Bestandteile umsetzen.
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Es zeigte sich, dass eine derartige
Mischung gut geeignet ist, um organische Bestandteile von Abwasser
oder sonstige industrielle Rückstände, wie beispielsweise
in einem Fettabscheider von industriellen Kläranlagen abzubauen, bei bestimmten
Betriebsbedingungen jedoch verbesserungsfähig erscheint.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
Effektivität
eines Verfahrens zur Reinigung von Abwasser oder sonstigen, organische
Bestandteile enthaltenden Fluiden mittels Mikroorganismen weiter zu
verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß werden zunächst in
den Zellen der organischen Bestandteile Photosensibilisatoren eingelagert,
die derart angereicherten organischen Bestandteile mit Licht einer
Wellenlänge
beaufschlagt, die im Absorbtionsbereich des eingesetzen Photosensibilisators
liegt. Durch diese Lichteinwirkung wird der Photosensibilisator
aktiviert und infolge von ablaufenden photochemischen Reaktionen sowie
Energieübertragungsprozessen
Singulett-Sauerstoff und sonstige reaktive Substanzen, wie beispielsweise
Radikale als angeregter Zustand des Photosensibilisators gebildet.
Diese in den Zellen freigesetzten reaktiven Substanzen bauen durch
Oxidations- und Reduktionsvorgänge
die Zellen der unerwünschten
Bestandteile des Fluids ab.
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Erste Vorversuche ergaben, dass sich
mit einem derartigen photodynamischen verfahren die Effektivität der. Abwasseraufbereitung
mittels Mikroorganismen weiter verbessern läßt.
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Bei einer bevorzugten Variante der
Erfindung werden die Photosensibilisatoren durch Zugabe von Mikroorganismen
eingebracht, die Licht in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich
absorbieren und bei Anregung mit Licht Photosensibilisatoren freisetzen.
D.h., bei dieser Variante erfolgt vor der Anregung der Photosensibilisatoren
mittels Bestrahlung zur Bildung der Radikale eine erste Beaufschlagung der
Mischung mit Licht, um die Photosensibilisatoren zu erzeugen und
in die Zellen einzubringen.
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Als geeignete Mikroorganismen zur
Erzeugung von Photosensibilisatoren kommen beispielsweise das Bakteriochlorophyll,
das Monascus Purpurus (Pigment 3658), das Limicola-Nadson (Zellfarbstoff
2145) oder das Pseudomonas Fluorescens oder sonstige Photosensibilisatoren
produzierende Mikroorganismen in Frage.
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Bei der Verwendung eines Bakteriochlorophylls
kommt es dann zu einer Chlorophyll-A-Reaktion, wobei bei einer Anregung
im Wellenlängenbereich
354 nm bis 450 nm Licht im Wellenlängenbereich von 684 nm absorbiert
wird. Durch die bakterielle Freisetzung von Aminolävulinsäure wird
Protoporphyrin IX freigesetzt, das selektiv von den Zellen der organischen
Bestandteile aufgenommen und gespeichert wird.
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Die Effektivität der Abwasserreinigung läßt sich
weiterhin erhöhen,
wenn die Mischung lichtemittierende Organismen enthält, die
durch die Lichtemission photosynthetisch arbeitende Mikroorganismen
anregen und zusätzlich
die organischen Bestandteile abbauen. Eine derartige Mikroorganismenmischung
ist in der eingangs genannten
DE 10149447 A1 offenbart, die zum Inhalt
der vorliegenden Anmeldung zu zählen
ist.
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Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im folgenden wird ein konkretes Ausführungsbeispiel
näher erläurtert.
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Zur Reinigung von beispielsweise
kommunalem oder industriellem Abwasser wird eine Mikroorganismenmischung
zugegeben, deren Grundzusammensetzung in der
DE 10149447 A1 beschrieben
ist.
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Die mikrobiotische Mischkultur (mikrobiologische
Zusammensetzung) enthält
bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
einen Anteil an photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen, einen
Anteil an Leuchtbakterien oder ähnlich
wirkenden lichtemittierenden Mikroorganismen, die in einer breitbandigen
biologischen Lösung
gelöst
sind.
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Das Wechselspiel zwischen den photosynthetisch
arbeitenden Mikroorganismen und den Leuchtbakterien führt dazu,
dass die photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen durch die
Leuchtbakterien zur Photosynthese angeregt werden. Die Mikroorganismen
betreiben die Photosynthese mit Schwefelwasserstoff und Wasser als
Edukt und setzen Schwefel bzw. Sauerstoff frei. Ferner können sie Stickstoff
sowie Phosphat binden und organische sowie anorganische Materie
abbauen.
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Bevorzugt werden in der erfindungsgemäßen mikrobiologische
Zusammensetzung photosynthetisch arbeitende Mikroorganismen verwendet,
die fakultativ phototroph sind. Phototroph fakultativ bedeutet,
dass die Mikroorganismen sowohl unter anaeroben Bedingungen im Licht
als auch unter aeroben Bedingungen im Dunklen wachsen können.
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Zu den Photosynthesebakterien gehören gramnegative
aerobe stabförmige
und kreisförmige Bakterien
sowie grampositive kreisförmige
Bakterien. Diese können
Endosporen aufweisen oder ohne Sporen vorhanden sein. Dazu zählen beispielsweise auch
grampositive Aktinomyceten und verwandte Bakterien.
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In diesem Zusammenhang können auch stickstoffbindende
Organismen genannt werden. Dazu gehören beispielsweise Algen, wie
Anabena Nostoc in Symbiose mit Azola. Des weiteren können Aktinomyceten,
z.B. Frankia in Symbiose mit Erlen und Bakterien, wie Rhizobium
in Symbiose mit Leguminosen, erwähnt
werden.
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Außerdem können auch aerobe Algen, Azotobacter,
methanoxidierende Bakterien und Schwefelbakterien verwendet werden.
Dazu zählen
auch grüne
Schwefelbakterien und braun-grüne
Photosynthesebakterien. Hier können
auch nicht violette Schwefelbakterien und violette Schwefelbakterien genannt
werden.
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Es ist bevorzugt, dass in der erfindungsgemäßen mikrobiologische
Zusammensetzung als fakultativ phototrophe Mikroorganismen, Prochlorophyten,
Cyanobakterien, grüne
Schwefelbakterien, Purpurbakterien, Chloroflexus-ähnliche
Formen und Heliobakterium und Heliobacillus-ähnliche Formen enthalten sind.
Die vorgenannten fakultativ phototrophen Mikroorganismen können auch
als Mischungen aus zwei oder mehr davon vorliegen. In einer ganz besonderen
Ausführungsform
liegen alle sechs genannten Mikroorganismen als Mischung vor.
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Das Licht, das die Photosynthese
antreibt, stammt von den Leuchtbakterien, die als zweite essentielle
Komponente in der mikrobiologischen Zusammensetzung der vorliegenden
Erfindung enthalten sind. Diese Leuchtbakterien besitzen eine Leuchtkraft,
d.h. sie sind in der Lage, Lichtquanten auszusenden. Es handelt
sich hierbei um ein System, das enzymatisch abläuft. Als Beispiel kann hier
das Luciferin-Luciferase-System genannt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
sind in der erfindungsgemäßen Mischung
als Leuchtbakterien Photobacterium phosphoreum, Vibrio fischeri, Vibrio
harveyi, Pseudomonas lucifera oder Beneckea enthalten. Es ist auch
möglich,
eine Mischung aus mindestens zwei daraus zu wählen.
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Zur Optimierung der erfindungsgemäßen mikrobiologischen
Zusammensetzung können
weitere Bestandteile darin enthalten sein. Vorzugsweise sind solche
Nebenbestandteile Pflanzenextrakte, Enzyme, Spurenelemente, Polysaccharide,
Alginderivate, andere Mikroorganismen wie oben. Die Nebenbestandteile
können
einzeln oder in Kombination in der erfindungsgemäßen mikrobiologischen Zusammensetzung
vorliegen. Die Pflanzenextrakte können beispielsweise Spitzwegerich
enthalten.
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Als Nährlösung für die erfindungsgemäße mikrobiologische
Zusammensetzung wird im allgemeinen eine Lösung verwendet, die dazu beiträgt, dass
die darin enthaltenen Bestandteile, insbesondere die Mikroorganismen,
ohne weiteres darin leben können.
Dabei kommt es insbesondere darauf an, dass die Wechselwirkung der
Photosynthesebakterien und der Leuchtbakterien vollständig zum
Tragen kommt. Es hat sich erwiesen, dass eine biologische Nährlösung mit
Melasse, insbesondere Rohzuckermelasse oder Zuckerrübenmelasse
als Hauptbestandteil geeignet ist.
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Die photosynthetisch arbeitenden
Mikroorganismen und die Leuchtebakterien liegen in der erfindungsgemäßen mikrobiologischen
Zusammensetzung normalerweise in einem Verhältnis von 1 : 10 bis 1 : 500
vor. Ein bevorzugtes Verhältnis
ist 1 : 100.
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Zur Stabilisierung und Lagerung können die vorbeschriebenen
Komponenten homogenisiert werden, so daß als erstes Zwischenprodukt
eine mikrobiotische Kultur vorliegt, deren Anteile in Abhängigkeit
vom zu behandelnden Abwasser eingestellt werden.
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In einem sich anschließenden Verfahrensschritt
wird das Gemisch tiefgekühlt
und gegebenenfalls im Vakuum gefriergetrocknet, so daß das Lösungsmittel,
im vorliegenden Fall beispielsweise Wasserbestandteile im gefrorenen
Zustand verdampft (Sublimationstrocknung) werden. Eine derartige
Dehydratisierung ist ein weit verbreitetes Verfahren zur schonenden
Trocknung und Konservierung empflindlicher Güter. Die Trocknungsparameter
werden so eingestellt, daß keine
Schädigung
der Mikroorganismen erfolgt. Bei Vorversuchen zeigte es sich, daß eine Abkühlungsrate
mit mehr als 30°C
pro Minute, vorzugsweise etwa 40°C
pro Minute oder schneller optimal ist, um einer Schädigung der
Mikroorganismen vorzubeugen.
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Durch diesen Trocknungsschritt werden
die die Zellen der Mikroorganismen umgebenden extrazellulären polymeren
Substanzen (EPS) dehydratisiert, so daß die schleimige EPS-Schicht
eingedickt wird und eine Schutzschicht bildet, die während des Gefriervorganges
die Mikroorganismen schützt.
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Wesentlich für den erfindungsgemäßen Prozeß ist, dass
die Mischung noch Anteile enthält,
die bei Anregung mit Licht Photosensibilisatoren freisetzen, die
ihrerseits bei Anregung mit Licht in dem vorzugsweise absorbierten
Wellenlängenbereich
durch photochemische Reaktionen und Energieübertragungsprozesse Singulett-Sauerstoff
und sonstige Radikale freisetzen, über die die Zellen der Schadstoffe
aufgebrochen und zerstört
werden.
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Als geeignet hat sich zum Beispiel
das Bakteriochlorophyll erwiesen, bei dem es durch Anregung mit
Licht im Wellenlängenbereich
bei 354 nm bis 450 nm zur Chlorophyll-A-Reaktion kommt, mit einer
starken Absorbtion bei 684 nm. Dabei wird der Photosensibilisator
Protoporphyrin IX (PpIX) produziert.
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Der Farbstoff Protoporphyrin IX (PpIX)
reichert sich durch die bakterielle Freisetzung von Aminolävulinsäure in Zellen
der organischen Bestandteile an. Diese Photosensibilisatoren (PpIX)
werden dabei selektiv von Zellen aufgenommen und gespeichert.
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Nach Anregung von PpIX mit kurzen
Laserpulsen (beispielsweise 3 ns) geeigneter Wellenlänge (z.B.
505 nm bis 515 nm oder 633 nm) wird ein Teil des Anregungslichtes
als Fluoreszenzlicht wieder abgestrahlt. Dieses Fluoreszenzlicht
klingt nach der Anregung wesentlich langsamer ab als das anderer, gleichzeitig
angeregter abwassereigener Farbstoffe. Daher können durch die verzögerte Aufnahme
von Fluoreszenzbildern oder – spektren
mit einer intensivierten CCD-Kamera Zellschädigungen sowie insbesondere
auch Zellvernichtung anhand des nahezu untergrundfreien Porphyrinsignals
besser erkannt werden, so dass eine Analyse des Reinigungsprozesses
möglich
ist.
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Schadstoffe im Abwasser, wie Schwermetalle
und Benzol werden ebenfalls durch den Ablauf des Porphyrinsignals
angezeigt.
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Die Photosensibilisatoren werden
durch die Lichteinwirkung im bevorzugt absorbierten Wellenlängenbereich
aktiviert und infolge der photodynamischen Effekte durch Elektronentransfer
kommt es dann zur eingangs beschriebenen Bildung von Singulett-Sauerstoff und Radikalen
innerhalb der Zellen, die dann durch Oxidations- und Reduktionsvorgänge aufgebrochen
und beschädigt
werden. Die Zerstörung
der Zellen kann auf zwei Arten geschehen:
- – durch
Nekrose, wobei die Zellen lysiert werden
- – durch
Apoptose, eine Art aktiven Zellen-"Selbstmord"
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Die photodynamische Behandlung kann
je nach Behandlungsprotokoll beide Arten von Zelltot bewirken. Die
beim Aufbruch der Zellen freigesetzten Proteine und Nährstoffe
gelangen in den Bio-Kreislauf und steigern die Effektivität des Verfahrens
zusätzlich.
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Es zeigte sich bei Vorversuchen,
dass neben dem reaktiven Sauerstoff beim Abbau der Zellen auch Wasserstoff
freigesetzt wird. Dieser Wasserstoff kann beispielsweise durch eine
aus der Brennstoffzellentechnik bekannte anorganisch modifizierte, protonenleitende
Hybridmembram abgegriffen und in Energie umgesetzt werden.
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Die Anregung der Photosensibilisatoren
erfolgt vorzugsweise durch monochronomatisches Laserlicht mit der
Wellenlänge,
in der die Photosensibilisatoren bevorzugt Licht absorbieren. Der
Laser wird gepulst, wobei vergleichsweise kurze Laserpulse (3 ns)
verwendet werden. Die Anregung der Mikroorganismen zur Produktion
von Photosensibilisatoren (beispielsweise Chlorophyll-A-Reaktion) kann durch Bestrahlung
mit herkömmlichen
Licht im Wellenlängenbereich
zwischen 354 nm bis 450 nm erfolgen.
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Mit einfachen Worten gesagt, enthält das neuartige
Abwasseraufbereitungsverfahren folgende Grundschritte:
- – systematische
und lokale Zugabe eines Photosensibilisators (Farbstoffs) und Anlagerung
dieses Farbstoffes in den Zellen der abzubauenden organischen Bestandteile;
- – Bestrahlung
der Photosensibilisatoren mit Laser oder Lampenlicht
- – Erzeugung
reaktiver Substanzen (Radikale, Singulett-Sauerstoff)
- – Oxidations-
und Reduktionsvorgänge
innerhalb der Zelle und
- – biologische
Zellschädigung,
evtl. Zelltot.
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Die Quantifizierung der phototoxischen
Wirkung der Photosensibilisatoren im angeregten Zustand kann über Fluoreszenzmessungen
mittels eines Fluoreszenzspektrophotometers und einer CCD-Camera
gekoppelt an ein Invert-Fluoreszenz-Mikroskop durchgeführt werden.
Wobei über die
Fluoreszenz des Photosensibilisators bei Bestrahlung mit Licht dessen
Verteilung in der organischen Substanz detektiert werden kann. Bei
diesen Fluoreszenzmessungen nimmt bei Bestrahlung mit einem kurzwelligen
Anregungslicht im Bereich von etwa 633 bis 635 nm das den Photosensibilisator
enthaltene organische Material eine intensiv rote Farbe an.
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Offenbart ist ein Verfahren zur Reinigung
von Abwassern oder anderen, organische Schadstoffe enthaltenden
Fluiden, bei dem Photosensibilisatoren in den Zellen der Schadstoffe
eingelagert und mit Licht im bevorzugten absorbierten Wellenlängenbereich
bestrahlt werden. Die Photosensibilisatoren werden durch das Licht
aktiviert und dabei reaktive Substanzen, wie Singulett-Sauerstoff freigesetzt. Diese
reaktiven Substanzen bauen durch Oxidation- und Reduktionsvorgänge die
Zellen der organischen Schadstoffe ab.