DE19917955C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Kurzzeitbestimmung des biologischen Sauerstoffbedarfs - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Kurzzeitbestimmung des biologischen SauerstoffbedarfsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kurzzeitbestimmung des biologischen Sau
erstoffbedarfs für Labor- und Felduntersuchungen sowie eine zur Durchführung die
ses Verfahrens geeignete Vorrichtung.
In der Umwelt- und Produktbiotechnologie werden Mikroorganismen mit speziellen
Stoffwechselleistungen verwendet. Für einen störungsfreien Prozess ist eine laufen
de Überwachung erforderlich, die über das aktuelle Substratverwertungspotential
der Mikroorganismen ständig informiert.
Es hat dazu bisher nicht Versuchen und Methoden gefehlt, solche Informationen zu
ermöglichen.
So ist aus dem Stand der Technik die Anwendung der Fließinjektionsanalyse (Flow
Injektion Analysis, FIA) bekannt. Dabei wird in einem Fließsystem eine Probe inji
ziert und über eine Reaktionsstrecke einem Detektor zur Ermittlung von Konzentra
tionsveränderungen und anderen Messwertänderungen zugeführt. Bisher ist jedoch
die Anwendung der FIA auf typische produktbiologische Zwecke und wenige Zu
standsgrößen wie z. B. Temperatur, pH-Wert beschränkt (Schügerl: "Analytische Me
thoden in der Biotechnologie", Vieweg 1991).
Weiterhin ist die Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfs zum Feststellen
von Abwasserverschmutzungen bekannt.
Dazu wird die für den Abbau von organischen Materialien benötigte Sauerstoffmen
ge in 5 Tagen erfasst (BSB 5 gem. DIN 38409-H51).
Diese weit verbreitete Methode ist jedoch sehr aufwendig und zur laufenden Kontrol
le biotechnologischer Prozesse nur bedingt geeignet. Bekannt sind auch Verfahren
und Vorrichtungen zur Schnellbestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfes
(BSB), wie in DE 295 13 115 U1, DE 43 14 981 C2 und DE 196 20 250 A1 be
schrieben. Dabei werden jeweils definierte prozessfremde Mikroorganismen zuge
setzt.
Ferner ist aus der DE 295 15 965 U1 ein online Biosensor mit einem zusätzlichen
Pufferbehälter sowie einer komplizierten Messeinrichtung bekannt. Nachteilig für
diesen Biosensor wirkt sich aus, dass die Mikroorganismen an einer Membran der
Messzelle immobilisiert werden müssen und somit eine Anwendung für Schleime
u. ä. nicht möglich ist.
Aus der DE 195 47 655 A1 sind auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermitt
lung des biologischen Sauerstoffbedarfs in Flüssigkeiten bekannt. Dazu werden in
einem zusätzlichen Brutreaktor geeignete Bakterien gezüchtet und mit für Abwässer
typischen organischen Substanzen konditioniert.
In der Veröffentlichung "Die kontinuierliche Kurzzeit-BSB-Messung (BSB - M3) -
Siepmann, F. W. Gewässerschutz, Wasser und Abwasser (1985), S. 233-256 ist
eine Vorrichtung beschrieben, die einen zusätzlichen Bioreaktor mit Trägerkörpern
und zwei Sauerstoffelektroden erfordert. Im zusätzlichen Bioreaktor sollen die Mik
roorganismen auf Trägerkörpern aufwachsen. Dieses Aufwachsen ist jedoch nur
bedingt kontrollier- und beherrschbar.
Der Erfindung liegt deshalb das Problem zu Grunde, ein aufwandsarmes Verfahren
zur Kurzzeitbestimmung des biologischen Sauerstoffbedarfes für Labor- und Feldun
tersuchungen und zur laufenden Überwachung umweltbiotechnologisches Prozesse
und damit zur Steuerung dieser Prozesse zu entwickeln. Außerdem soll eine geeig
nete Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden.
Das Verfahren gem. der Erfindung löst dieses Problem mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in
den Patentansprüchen 2 bis 4 angegeben.
Danach werden in einem Fließsystem prozesseigene Mikroorganismen in zwei
Messkammern nacheinander eingebracht, kalibriert und nachfolgend von Proben
überströmt und Veränderungen von Zustandsgrößen detektiert und ausgewertet.
Während des Messvorganges liegen dabei die prozesseigenen Mikroorganismen in
den Messkammern gem. Patentanspruch 2 immobilisiert oder frei suspendiert gem.
Patentanspruch 3 vor.
Vorteilhafterweise erfolgt nach Beendigung des Messvorganges gem. Patentan
spruch 4 eine automatische Reinigung der Messkammern.
Die zur Durchführung des Verfahrens geschaffene Vorrichtung ist durch die
Merkmale des Patentanspruches 5 gekennzeichnet.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Patentansprüchen 6 und
7 angegeben.
Danach besteht die Vorrichtung aus einem Fließsystem mit zwei Messkammern 1,1
und 1,2, einer Steuer- und Auswerteeinheit 2 - verbunden mit einer Anzeigeeinheit
3 - sowie Pumpen und Absperreinrichtungen.
Gem. Patentanspruch 6 sind in den Messkammern Signalgeber 4 in räumlich enger
Kopplung zu den prozesseigenen Mikroorganismen so angeordnet, dass ein Bio
sensor entsteht.
Weiterhin enthalten die Messkammern gem. Patentanspruch 7 vorzugsweise eine
semipermeable Membran mit einem Porendurchmesser unter 10 µm.
Das erfindungsgemäße Verfahren, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vor
richtung weist den entscheidenden Vorteil auf, die prozesseigenen Mikroorganismen
als sensitive Komponente zu nutzen und damit auf die Verwendung zusätzlicher,
fremder oder gesondert gezüchteter Mikroorganismen zu verzichten. Damit erzielte
Kontrolluntersuchungen bestätigen den überraschenden Vorteil dieses Verfahrens.
Die Erfindung ermöglich eine Kurzzeitbestimmung des biologischen Sauerstoffbe
darfs für Labor- und Felduntersuchungen mit erhöhter Messfrequenz, damit ein lau
fendes Überwachen aerober umweltbiotechnologischer Prozesse mit Steuermög
lichkeiten für diese Prozesse.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen und Anwen
dungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen,
Fig. 1 eine Ausführungsform der Vorrichtung gem. Patentanspruch 5
Fig. 2 Darstellung der resultierenden Mess-Signale in allgemeiner Form.
Die Vorrichtung weist Messkammern 1,1 und 1,2 auf, welche Signalgeber 4 enthal
ten, eine Steuer und Auswerteeinheit 2 verbunden mit einer Anzeigeeinrichtung 3
sowie übliche Pumpen und Absperreinrichtungen. Als Pumpen dienen vorzugsweise
Peristaltikpumpen und für die Absperreinrichtungen werden bevorzugt Schlauch
quetschventile eingesetzt.
In den Messkammern 1,1 und 1,2 läuft der eigentliche Messvorgang bzw. Messzyk
lus ab. Als Signalgeber 4 können Sauerstoff-Elektroden oder faseroptische Signal
geber in Verbindung mit Wärmetönungen eingesetzt werden, die sich in den Mess
kammern in unmittelbarer Nähe der Mikroorganismen befinden und damit Biosenso
ren bilden.
Zu Beginn der Messung wird suspendierte Biomasse mit den zu charakterisierenden
Mikroorganismen zu den Messkammern gefördert. Die Biomasse kann während der
Messung als Suspension in den Messkammern vorliegen oder sie wird an einer se
mipermeablen Membran, vorzugsweise einer Kernspurmembran mit Porendurch
messern unter 10 µm immobilisiert.
Anschließend wird eine sauerstoffhaltige Trägerflüssigkeit (Carrier), vorzugsweise
eine Pufferlösung, zu den Messkammern gefördert. Mittels der Signalgeber 4 wer
den nun Signale über die Steuer- und Auswerteeinheit erfasst - und eine Grundlinie
wird eingestellt.
Zu diskreten Zeitpunkten werden weiterhin die in den Messkammern befindlichen
Mikroorganismen mit einem definierten BSB-Standard zur Kalibrierung kurzzeitig
beprobt, welches messbare Stoffwechselreaktionen bewirkt. Die aus den Stoffwech
selreaktionen resultierenden Signale werden detektiert und ausgewertet. In Fig. 2
ist ein Messablauf unter Verwendung von Sauerstoff-Elektroden als Signalgeber
schematisch dargestellt.
Der Abschnitt I zeigt dabei die resultierenden Signale auf zwei aufeinander folgende
Standardbeprobungen während der Kalibrierung.
Anschließend werden die in den Messkammern befindlichen Mikroorganismen für
dieselbe Dauer mit dem Analyten beprobt. Dieses stellt die Messphase dar. Der
BSB-Wert wird ermittelt, indem die Signale auf die Beprobung mit Analyt mit denen
aus der Kalibrierungsphase verglichen werden. Alle Messsignale werden in der
Steuer- und Auswerteeinheit erfasst, mathematisch aufgearbeitet und ein BSB-Wert
als Messergebnis ausgegeben, welcher die Verwertung des Analyten durch die ein
gesetzten Mikroorganismen gegenüber der Verwertung des Standards durch diesel
ben angibt.
Die Laborbestimmung des Biochemischen Sauerstoffbedarfs (BSB) erfolgt nach DIN
38 409, H 51 üblicherweise innerhalb von 5 Tagen. In dieser Zeit wird der Sauer
stoffverbrauch von Mikroorganismen durch die Oxidation organischer Verbindungen
in Proben mit verschiedenen Verdünnungsstufen unter definierten Bedingungen er
mittelt. Zu der eingesetzten Art der Mikroorganismen gibt es keine Festlegungen.
Die Analyse dient meist dazu, Abwässer hinsichtlich ihrer Abbaubarkeit in biologi
schen Abwasserreinigungsanlagen einzuschätzen.
Auf Grund der langen Analysendauer und des hohen Geräte- und Personalaufwan
des, der auftretenden Fehler, aber auch bezüglich der geringen Vergleichbarkeit zu
den eigentlichen Abläufen in biologischen Prozessen, ist diese Methode nur bedingt
aussagekräftig.
Die Erfindung wird genutzt, um im Labor oder bei Felduntersuchungen in kurzer Zeit
BSB-Werte von Abwässern zu bestimmen.
Als Mikroorganismen kommt eine Mischpopulation aus Flussuferbakterien zum Ein
satz, welche in den Messkammern immobilisiert wird. Als Carrier dient Kalium-
Phosphatpuffer mit dem pH-Wert 7,0 - einer Puffermolarität von 10 mM, einer kon
stanten Temperatur von 24°C und einem korrespondierendem Sauerstoffgehalt bei
Normaldruck von 8,41 mg/l. Mit dem Carrier wir die Messkammer überströmt. Es er
folgt eine sequentielle Beprobung der Mikroorganismen in den Messkammern mit
einem BSB-Standard mit Komponenten Glukose, L-Glutaminsäure und Harnstoff in
definierter Zusammensetzung. In der Beprobungsfolge wurde dieser Standard 5 mal
mit verschiedenen Kontaktzeiten beprobt. Dieser Vorgang entspricht der Kalibrie
rung (Phase I). Nachfolgend werden die Mikroorganismen in den Messkammern mit
Abwasser definierter Zusammensetzung und bekanntem, rechnerisch ermittelten
BSB-Wert, in der gleichen Weise wie in Phase I beprobt. Dieses stellt die Messpha
se dar (Phase II).
Während des Messablaufes wird die Atmungsaktivität der Mikroorganismen in der
jeweiligen Messkammer erfasst und ausgewertet. Nach erfolgter Messung wird die
Messkammer gespült und mit neuen Mikroorganismen bestückt. Die für weitere
Messungen eingesetzten Abwässer enthielten verschiedene BSB-Konzentrationen,
welche durch das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt wurden.
Die Ergebnisse einer Messreihe sind aus der Tabelle 1 zu entnehmen. In Spalte 1
sind dabei die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Messwerte zu
sammengefasst und den in Spalte 2 rechnerisch (aus der genauen Abwasseranaly
se resultierend) ermittelten Werten gegenübergestellt. In Spalte 3 ist der relative
Fehler in Prozent angegeben.
Eine Messung gemäß der Erfindung dauerte 35 Minuten. Dies ergibt eine wesentli
che Zeitersparnis gegenüber bekannten üblichen Methoden.
In biologischen Stufen industrieller Abwasserreinigungsanlagen ist es häufig not
wendig und ökonomisch sinnvoll, in Abhängigkeit der oxidierbaren Abwasserfracht
Nährstoffe genau zu dosieren. Dazu muss der Anteil biologisch verwertbarer In
haltsstoffe im Abwasser kontinuierlich gemessen werden.
Mit der Erfindung wird periodisch aller 45 Minuten automatisch der BSB-Wert im Zu
lauf einer biologischen Stufe einer Industrie-Abwasserreinigungsanlage detektiert.
Zu diesem Zweck werden automatisch Mikroorganismen aus der Belebungsstufe
der Abwasserreinigungsanlage entnommen und jeweils in einer Messkammer im
mobilisiert. Als Carrier diente Leitungswasser mit einer Temperatur mit 30°C und
einem korrespondierenden Gelöstsauerstoffgehalt bei 1 bar von 7,55 mg/l.
In der Folge erfolgte eine Kalibrierung (Phase I) mit einem BSB-Stand analog An
wendungsbeispiel 1.
Danach werden die Mikroorganismen in der jeweiligen Messkammer mit aktuellen
Abwasserproben aus dem Zulauf der Abwasserreinigungsanlage analog Phase I
beprobt (Phase II). Die Messdatenaufnahme und Auswertung erfolgt analog dem
Anwendungsbeispiel 1.
Die Ergebnisse einiger Messwerte sind aus der Tabelle 2 zu entnehmen. In Spalte 1
sind dabei die mit der Erfindung ermittelten Messwerte zusammengefasst und den in
Spalte 2 nach DIN 38 409, H 51 ermittelten BSB5-Werten gegenübergestellt. In
Spalte 3 ist zusätzlich der relative Fehler in Prozent angegeben. Mit Anwendung von
zwei Messkammern ist eine Probenfrequenz von 2,67 Proben/h möglich.
Für die Messungen wurden die prozesseigenen Mikroorganismen angewandt, wo
durch die Nährstoffdosierung prozess-spezifisch gesteuert werden konnte.
Claims (7)
1. Verfahren zur Kurzzeitbestimmung des biologischen Sauerstoffbedarfs für Labor-
und Felduntersuchungen, dadurch gekennzeichnet, dass in ein Fließsystem
prozesseigene Mikroorganismen in zwei Messkammern nacheinander einge
bracht, kalibriert, nachfolgend von Proben überströmt und Veränderungen von
Zustandsgrößen detektiert und ausgewertet werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das während der Mess
vorgänge die prozesseigenen Mikroorganismen in den Messkammern immobili
siert vorliegen.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der
Messvorgänge die prozesseigenen Mikroorganismen in den Messkammern frei
suspendiert vorliegen.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Beendigung
des Messvorganges eine automatische Reinigung der Messkammern erfolgt.
5. Vorrichtung zur Kurzzeitbestimmung des biologischen Sauerstoffbedarfs für La
bor- und Felduntersuchungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung aus einem Fließsystem mit zwei Messkammern 1,1 und 1.2; ei
ner Steuer- und Auswerteeinheit 2 - verbunden mit einer Anzeigeeinheit 3 - so
wie Pumpen und Absperreinrichtungen besteht.
6. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den
Messkammern die Signalgeber 4 in räumlich enger Kopplung zu den prozessei
genen Mikroorganismen so angeordnet sind, dass ein Biosensor vorliegt.
7. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess
kammern vorzugsweise eine semipermeable Membran mit einem Porendurch
messer unter 10 µm enthalten.
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