DE19518913C1

DE19518913C1 - Testing aerobic biodegrading of test materials

Info

Publication number: DE19518913C1
Application number: DE1995118913
Authority: DE
Inventors: Wolf-Ruediger Dr Ing Mueller; Ralf Dipl Biol Joerg
Original assignee: MUELLER WOLF RUEDIGER DR ING
Current assignee: MUELLER WOLF RUEDIGER DR ING
Priority date: 1995-05-29
Filing date: 1995-05-29
Publication date: 1996-11-28
Anticipated expiration: 2015-05-30

Abstract

To test the aerobic biodegrading of test materials, by registering the total CO2 prodn. in the closed system, the infra-red absorption of the gases developed in the system is measured, without gas extn. for measurement. The CO2 concn. is controlled to a given value, or value range. If a threshold value is exceeded in the CO2 concn., part of the CO2 is extracted through a CO2 absorber (17), and extracted from the system, to be replaced with another gas or gas mixt., and especially oxygen. Also claimed is an appts. with a reaction vessel (10) contg. the substance (11) being tested. The system has an infra-red absorption measurement probe (13) and a micro-pump (16) for the recirculation of gas within the system. A CO2 absorber (17) takes extracted gas through a twin-path valve (18) under control, which is part of the recirculation circuit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung der aeroben biologischen Abbaubarkeit von Testsub stanzen.The invention relates to a method and an apparatus for Checking the aerobic biodegradability of the test sub punch.

Bei aeroben biologischen Tests in einem geschlossenen System läßt sich aus dem gesamten entstehenden CO₂, das mit zunehmen dem biochemischen Abbau im Rahmen einer Mineralisation an steigt, der nach der Versuchszeit erreichte Abbaugrad ermit teln, wie beispielsweise auch in der DIN-EN 29 439 angegeben ist. Bislang werden hierzu z. B. in einem Reaktionsgefäß mit der Testsubstanz sowie Mikroorganismen in zeitlichen Abständen Gasproben entnommen und diese analysiert. Aus der EP 0 151 855 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Mikroorganismus über Messung des während des Abbaus einer bestimmten Substanz durch diesen Mikroorganismus entstehende CO₂-Konzentration bekannt, wobei der Versuchsanordnung bei der Messung kein Gas entnommen wird. Die CO₂-Messung erfolgt - wie bei der Vorrichtung nach der EP 0 315 944 - über die Messung der Infrarot-Absorption durch das entstehende Gas. Weitere Meßanordnungen für die Erfassung der Infrarot-Absorption von Gasen sind in der US-PS 5,051,551 und der EP 0 123 458 be schrieben. Allen diesen Meßanordnungen ist gemein, daß den Systemen zur Messung kein Gas entnommen werden muß, was die Versuchsbedingungen stören würde. Die Versuchsbedingungen ver ändern sich jedoch auch durch die Aufkonzentrierung von CO₂, was in einer Rückkopplung zu einer ökologischen Beeinträchti gung des Systems und damit zu einer Verfälschung der Ergeb nisse im Vergleich zu natürlichen Bedingungen oder zu vorgege benen wohldefinierten Randbedingungen führt. Für diese Proble matik bieten die bekannten Verfahren und Vorrichtungen jedoch keine Lösung.For aerobic biological tests in a closed system can increase from the total CO₂ biochemical degradation as part of a mineralization increases, the degree of degradation reached after the trial period means, such as also specified in DIN-EN 29 439 is. So far, z. B. in a reaction vessel the test substance as well as microorganisms in time intervals Gas samples taken and analyzed. From EP 0 151 855 is a method and an apparatus for determining a Microorganism on measurement of the during the breakdown certain substance produced by this microorganism CO₂ concentration known, the experimental setup at the Measurement no gas is removed. The CO₂ measurement is done - how in the device according to EP 0 315 944 - via the measurement the infrared absorption by the resulting gas. Further Measuring arrangements for the detection of the infrared absorption of Gases are described in US Pat. No. 5,051,551 and EP 0 123 458 wrote. All these measuring arrangements have in common that the Systems for measuring no gas must be taken, which is the Experimental conditions would interfere. The test conditions ver however, also change due to the concentration of CO₂, which in a feedback to an ecological impairment system and thus falsify the results nisse compared to natural conditions or compared to leads to well-defined boundary conditions. For these problems matik offer the known methods and devices no solution.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit denen über eine kontinuierliche Erfassung der CO₂-Konzentration in geschlossenen Systemen, ohne Störung sonstiger Systemeigenschaften eine Überprüfung der aeroben biologischen Abbaubarkeit von Substanzen vorgenommen werden kann.The invention has for its object a device and to create a process with a continuous Detection of the CO₂ concentration in closed systems without Disruption of other system properties a review of the aerobic biodegradability of substances can be.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des An spruches 1 gelöst. Durch eine Gasumwälzung im System werden die Versuchsbedingungen nicht gestört. Somit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch als Zusatzverfahren zu anderen Gasanalysen bzw. zur Messung des Sauerstoffverbrauches, der bei aeroben biologischen Abbauprozessen ein wichtiger Indika tor für die Abbaubarkeit ist. Die Regelung der CO₂-Konzentra tion kann auf einen vorgegebenen Wert oder Wertebereich vor genommen werden, der weit außerhalb der natürlichen CO₂-Gehalte der Luft liegen kann. Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Ver fahrens auf biologische Abbautests unter aeroben Bedingungen kann der Versuchsverlauf dann wie folgt aussehen: Nach Anset zen der Testsubstanz mit entsprechenden Mikroorganismen wird das System hermetisch abgeschlossen. Die im System befindliche Gasphase hat zu Versuchsbeginn die Zusammensetzung der Luft. Die Konzentration von CO₂ in der Gasphase wird über die In frarot-Absorption mit Hilfe eines Sensors exakt erfaßt. Nach Einsetzen der mikrobiologischen Stoffwechselprozesse wird un ter Sauerstoffverbrauch CO₂ gebildet. Eine kontinuierliche Um wälzung der Gasphase des Systems beispielsweise über Mikropum pen durch die Infrarot-Meßanordnung gewährleistet eine spek troskopische Verfolgung der Konzentrationszunahme des CO₂. Bei Erreichen eines vorgebbaren Schwellwertes für die CO₂-Konzen tration im Gasraum kann ein Teil des CO₂ durch einen CO₂-Ab sorber aus dem System entfernt und durch ein anderes Gas oder Gasgemisch, insbesondere durch Sauerstoff, ersetzt werden. Die Absorption erfolgt dabei solange, bis ein unterer vorgebbarer Schwellwert für die CO₂-Konzentration erreicht worden ist. Damit wird durch das Entziehen von CO₂ aus der Vorrichtung eine Übersättigung an CO₂ in der meist in einer wäßrigen Lösung angesetzten Testsubstanz verhindert und eine Gleichgewichts einstellung zwischen Gas- und Flüssigkeitsphase beschleunigt. Nach Erreichen des unteren Schwellwertes wird die Vorrichtung wieder auf normalen Umwälzbetrieb geschaltet. Der sich in der Vorrichtung durch Entzug des CO₂ und Sauerstoffverbrauch bil dende leichte Unterdruck kann bei aeroben Abbauverfahren durch eine elektrolytische Nachlieferung einer äquivalenten Menge an Sauerstoff bis zum Erreichen eines "mittleren" Ausgangsdruckes ausgeglichen werden, dessen Schwankungsbereich von den ein stellbaren CO₂-Schwellwerten beeinflußt wird. Damit sind alle Ausgangsbedingungen der Versuchsanordnung wieder hergestellt und es kann ein erneuter Zyklus von Sauerstoffverbrauch, CO₂- Bildung, CO₂-Absorption sowie Sauerstoffnachlieferung beginnen. Die Bestimmung der gesamten entstehenden CO₂-Menge als Funktion der Zeit während einer Testphase kann durch Multiplikation der Zahl aller durchgeführten Absorptionszyklen mit dem Differenz wert der CO₂-Konzentration zwischen oberem und unterem Schwell wert bestimmt werden. Dieser Wert muß noch durch die Ermitt lung des während der einzelnen CO₂-Absorptionszyklen gebildeten CO₂ korrigiert werden. Hierzu kann eine mathematische Aufberei tung der Meßsignale in einer Rechnereinheit erfolgen. Ent scheidend ist insbesondere die Bestimmung der Steigung der Kurve des zeitlichen CO₂-Konzentrationsverlaufes vor den ein zelnen CO₂-Absorptionszyklen. Mit Hilfe eines Extrapolations programmes kann hieraus die Bildung von CO₂ während eines CO₂- Absorptionszyklus bestimmt werden.The task is accomplished with a procedure with the characteristics of the To Proverb 1 solved. Through gas circulation in the system the test conditions were not disturbed. So this is suitable Process according to the invention also as an additional process to others Gas analyzes or to measure the oxygen consumption, the an important indicator in aerobic biodegradation processes degradability gate. The regulation of the CO₂ concentration tion can advance to a given value or range of values be taken of the far outside of the natural CO₂ levels the air can lie. When using the Ver driving on biological degradation tests under aerobic conditions The course of the experiment can then look like this: According to Anset zen of the test substance with appropriate microorganisms the system hermetically sealed. The one in the system At the beginning of the experiment, the gas phase has the composition of the air. The concentration of CO₂ in the gas phase is determined by the In Infrared absorption is detected exactly with the help of a sensor. To The onset of microbiological metabolic processes becomes un ter oxygen consumption CO₂ formed. A continuous order Rolling the gas phase of the system, for example via micropum pen through the infrared measuring arrangement ensures a spec troscopic tracking of the increase in concentration of CO₂. At Reaching a predefinable threshold for the CO₂ concentrations tration in the gas space can part of the CO₂ by a CO₂-Ab sorber removed from the system and by another gas or Gas mixture, especially by oxygen, are replaced. The Absorption takes place until a lower predeterminable one Threshold for the CO₂ concentration has been reached. This is a by removing CO₂ from the device Supersaturation of CO₂ mostly in an aqueous solution Prevented test substance and an equilibrium setting between gas and liquid phase accelerated. After reaching the lower threshold, the device switched back to normal circulation mode. The one in the Device by withdrawing the CO₂ and oxygen consumption bil The slight negative pressure can result from aerobic degradation processes an electrolytic replenishment of an equivalent amount Oxygen until an "average" outlet pressure is reached be balanced, the fluctuation range of the one adjustable CO₂ thresholds is affected. That’s all Starting conditions of the experimental setup restored and a renewed cycle of oxygen consumption, CO₂- Education, CO₂ absorption and oxygen supply begin. The determination of the total amount of CO₂ produced as a function The time during a test phase can be calculated by multiplying the Number of all absorption cycles carried out with the difference value of the CO₂ concentration between the upper and lower threshold worth be determined. This value still has to be determined development of the formed during the individual CO₂ absorption cycles CO₂ be corrected. This can be done mathematically device of the measurement signals in a computer unit. Ent the determination of the slope of the Curve of the temporal CO₂ concentration curve before the one individual CO₂ absorption cycles. With the help of an extrapolation programs can be used to generate CO₂ during a CO₂ Absorption cycle can be determined.

Vorteilhafterweise kann während des gesamten Versuches für eine Konstanthaltung der Temperatur im System gesorgt werden. Durch die Infrarotbestrahlung der Gasphase kann es zu einer leichten Erwärmung des Gases kommen, die wieder auszugleichen ist, um die Versuchsbedingungen nicht zu verändern.Advantageously, during the entire trial keeping the temperature constant in the system. The infrared radiation of the gas phase can lead to a slight warming of the gas will come, which will make up for it is so as not to change the test conditions.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der CO₂-Konzentration eines geschlossenen Systems ist gekenn zeichnet durch ein Reaktionsgefäß mit einer zu untersuchenden Testsubstanz sowie einer Infrarot-Absorptionsmeßsonde und ei ner Mikropumpe zur Gasumwälzung im System. Außerdem ist ein CO₂-Absorber vorgesehen, dem Gas über ein Zweiwegeventil ge steuert zuleitbar ist, das Bestandteil des Umwälzkreislaufes ist. Auf diese Weise kann eine Regelung der CO₂-Konzentration im System vorgenommen werden. Zweckmäßigerweise ist hierzu außerdem eine programmierbare Steuereinheit mit der Vorrich tung verbunden, über die eine Steuerung des Ventils entspre chend der erfaßten Meßdaten erfolgen kann. Außerdem können weitere Gasanalyseeinrichtungen mit der Vorrichtung verbunden sein.The device according to the invention for continuous measurement the CO₂ concentration of a closed system is known characterized by a reaction vessel with one to be examined Test substance and an infrared absorption probe and egg A micropump for gas circulation in the system. In addition, is a CO₂ absorber provided, the gas via a two-way valve ge controls can be supplied, the component of the circulation circuit is. In this way, regulation of the CO₂ concentration be made in the system. This is useful also a programmable control unit with the Vorrich connected via which a control of the valve would correspond chend the measured data can take place. You can also further gas analysis devices connected to the device his.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung näher er läutert. Below is a preferred embodiment of one he device according to the invention with reference to the drawing purifies.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Versuchsan ordnung mit CO₂-Konzentrationsmessung; Figure 1 is a schematic diagram of a Versuchsan arrangement with CO₂ concentration measurement.

Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung des zeitli chen Verlaufes der CO₂-Konzentration der Anordnung nach Fig. 1 mit CO₂-Konzentra tionsregelung. Fig. 2 is a schematic representation of the temporal Chen course of the CO₂ concentration of the arrangement of FIG. 1 with CO₂ concentration control.

Die Anordnung nach Fig. 1 besteht aus einem Reaktionsgefäß 10, in dem eine Testsubstanz 11 in gerührter wäßriger Lösung mit Mikroorganismen angesetzt ist. Das Reaktionsgefäß 10 ist durch einen Deckel 12 gasdicht nach außen verschlossen. In dem Deckel 12 ist eine Infrarot-Absorptionsmeßsonde 13 integriert. Diese Meßsonde 13 weist eine Infrarot-Quelle sowie einen Detektor 14 auf. Das sich im Reaktionsgefäß bildende Gas gelangt durch Öffnungen 15 in die Meßsonde 13. Dort wird nach einem oszillierenden Meßprinzip der durch das Gas absorbierte Infrarotanteil bestimmt. Aus der Frequenz der sich selbsttätig einstellenden oszillierenden Meßschwingung kann auf dessen Zu sammensetzung geschlossen werden. Überschreitet die gemessene CO₂-Konzentration einen vorgegebenen Schwellwert S₁ (vgl. Fig. 2), wird ein Teil des Gases mittels einer Mikropum pe 16 über ein Zweiwegeventil 18 einem CO₂-Absorber 17 zuge führt. Die neben dem CO₂ im Gas enthaltenen Bestandteile ge langen über eine Gasleitung 19 mit Rückschlagventil wieder durch eine Gasaustrittsöffnung 20 im unteren Bereich des Reaktionsgefäßes 10 zurück in das System. Sinkt die CO₂-Kon zentration aufgrund des CO₂-Absorptionsprozesses wieder unter einen vorgebbaren unteren Schwellwert S₂ (vgl. Fig. 2), so schaltet das Zweiwegeventil 18 um und leitet das Gas über eine weitere Gasleitung 21 mit Rückschlagventil zur Gasaustritts öffnung 20 im Reaktionsgefäß 10. Das System arbeitet dann wieder im Umwälzbetrieb. In Fig. 1 ist außerdem ein weiterer Gasauslaß 22 gezeigt, an dem weitere Meßeinrichtungen, bei spielsweise Meßeinrichtungen für den Sauerstoffverbrauch angeschlossen sein können. The arrangement according to FIG. 1 consists of a reaction vessel 10 in which a test substance 11 is mixed with microorganisms in a stirred aqueous solution. The reaction vessel 10 is closed gas-tight to the outside by a cover 12 . An infrared absorption measuring probe 13 is integrated in the cover 12 . This measuring probe 13 has an infrared source and a detector 14 . The gas which forms in the reaction vessel passes into the measuring probe 13 through openings 15 . There the infrared portion absorbed by the gas is determined according to an oscillating measuring principle. From the frequency of the self-adjusting oscillating measurement oscillation can be concluded on its composition. If the measured CO₂ concentration exceeds a predetermined threshold value S₁ (see FIG. 2), part of the gas is fed to a CO₂ absorber 17 by means of a micropum 16 via a two-way valve 18 . In addition to the CO₂ contained in the gas components ge long through a gas line 19 with check valve again through a gas outlet opening 20 in the lower region of the reaction vessel 10 back into the system. If the CO₂ concentration drops again due to the CO₂ absorption process below a predeterminable lower threshold value S₂ (see FIG. 2), the two-way valve 18 switches over and directs the gas via a further gas line 21 with a check valve to the gas outlet opening 20 in the reaction vessel 10 . The system then operates in recirculation mode again. In Fig. 1 also an additional gas outlet 22 is shown, may be connected to the further measuring devices, wherein playing means for measuring the oxygen consumption.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der CO₂-Konzentration bei der Versuchsanordnung nach Fig. 1 mit CO₂-Konzentrations-Rege lung. Durch die biologischen Abbauprozesse steigt die CO₂- Konzentration des Systems in einem Bereich 30 zunächst linear an. Bei Erreichen eines oberen Schwellwertes S₁ durch die CO₂- Konzentration zu einem Zeitpunkt t₁ wird in der Anordnung nach Fig. 1 eine CO₂-Absorption vorgenommen. Hierdurch fällt in einem Bereich 31 die Kurve der CO₂-Konzentration wieder ab. Die CO₂-Absorption wird gestoppt, sobald die CO₂-Konzentration wieder unter einen unteren Schwellwert S₂ fällt. Zu diesem Zeitpunkt t₂ wird wieder auf Umwälzbetrieb umgestellt, d. h. die Kurve der CO₂-Konzentration nimmt wieder den im Bereich 30 gezeigten Verlauf an. Zur Bestimmung der gesamten, während des Versuches gebildeten Menge an CO₂ wird die Zahl aller durch geführten Absorptionszyklen mit der Differenz S₁-S₂ multipli ziert und anschließend mit dem Wert der während der Absorp tionszyklen gebildeten CO₂-Menge korrigiert. Zur Bestimmung dieses Korrekturwertes wird der Verlauf der CO₂-Konzentration über den Bereich 30 hinaus extrapoliert, was in Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie 33 angedeutet ist. Aus diesem extrapo lierten Verlauf der CO₂-Konzentration 33 zwischen den Zeit punkten t₁ und t₂ kann die während des Absorptionszyklus produ zierte CO₂-Menge berechnet werden. Fig. 2 shows the time course of the CO₂ concentration in the experimental arrangement according to FIG. 1 with CO₂ concentration control. Due to the biological degradation processes, the CO₂ concentration of the system initially increases linearly in a region 30 . When an upper threshold S 1 is reached by the CO 2 concentration at a time t 1, a CO 2 absorption is carried out in the arrangement according to FIG. 1. As a result, the curve of the CO₂ concentration drops again in a region 31 . The CO₂ absorption is stopped as soon as the CO₂ concentration falls below a lower threshold S₂. At this time t₂ is switched back to circulation mode, ie the curve of the CO₂ concentration again takes the course shown in area 30 . To determine the total amount of CO₂ formed during the experiment, the number of all absorption cycles carried out is multiplied by the difference S₁-S₂ and then corrected with the value of the amount of CO₂ formed during the absorption cycles. To determine this correction value, the course of the CO₂ concentration is extrapolated beyond the region 30 , which is indicated in FIG. 2 by a broken line 33 . From this extrapo lated course of the CO₂ concentration 33 between the points t₁ and t₂, the amount of CO₂ produced during the absorption cycle can be calculated.

Claims

1. A method for checking the aerobic biodegradability of test substances by determining the total CO₂ production in closed systems, the infrared absorption of the gas present or emerging in the system being measured without permanently removing gas from the system for measurement purposes, whereby further regulating the CO₂ concentration to a predeterminable value or Wertbe range (S₁-S₂) is carried out by a portion of the CO₂ by a CO₂ absorber ( 17 ) if a predeterminable threshold value (S₁) for the CO₂ concentration is exceeded removed from the system and replaced by another gas or gas mixture, especially oxygen

2. The method according to claim 1, characterized in that the Temperature in the system is kept constant.

3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized ge indicates that a mathematical preparation of the Measurement signals are carried out in a computer unit.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized ge indicates that additional concentration measurements gases.

5. The method according to claim 4, characterized in that to a substance consumption measurement is also carried out.

6. Device for checking the biodegradability of test substances by measuring the CO₂ concentration in closed systems with a reaction vessel ( 10 ) with a test substance to be examined ( 11 ) and an infrared absorption measuring probe ( 13 ) and a micropump ( 16 ) for gas circulation in the system, wherein a CO₂ absorber ( 17 ) is also provided, the gas via a two-way valve ( 18 ), which is part of the circulation circuit, can be supplied in a controlled manner.

7. The device according to claim 6, characterized in that connected to a programmable control unit is.

8. Device according to one of claims 6 or 7, characterized ge indicates that other gas analyzers with the Device are connected.