DE19917956A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung aerober biotechnologischer Prozesse - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung aerober biotechnologischer ProzesseInfo
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Abstract
In der Umwelt- und Produktbiotechnologie werden Mikroorganismen mit speziellen Stoffwechselleistungen verwendet. Für einen störungsfreien Prozessablauf wäre eine laufende Überwachung erforderlich, die über den aktuellen physiologischen Zustand der Mikroorganismen ständig informiert. DOLLAR A Dazu bekannt ist die Anwendung der Fließinjektionsanalyse (FIA). Diese Methode ist jedoch bisher überwiegend auf typische produktbiologische Zwecke beschränkt. Bekannt ist weiterhin eine Vorrichtung zur Schadstoffdetektion mittels definierter Leuchtbakterien und weitere aufwendige Anordnungen mit Biosensoren. DOLLAR A Der Erfindung liegt deshalb das Problem zu Grunde, ein Verfahren zur laufenden Überwachung aerober biotechnologischer Prozesse und damit zur Havariefrüherkennung bei diesen Prozessen zu entwickeln. Außerdem soll eine wirkungsvolle Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden in ein Fließsystem prozesseigene Mikroorganismen in eine Messkammer eingebracht, kalibriert und von potentiell toxisch wirkenden Substanzen überströmt. Gleichzeitig werden in einer zweiten Messkammer des Fließsystems prozesseigene Mikroorganismen von einer Trägerlösung überströmt und in beiden Messkammern werden die Gelöstsauerstoffkonzentrationen detektiert und nachfolgend ausgewertet. Während des Messvorganges liegen dabei die prozesseigenen Mikroorganismen immobilisiert oder frei suspendiert vor. DOLLAR A Die zur Durchführung des Verfahrens geschaffene Vorrichtung ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung aerober bio
technologischer Prozesse sowie eine zur Durchführung des Verfah
rens vorgesehene Vorrichtung.
In der Umwelt- und Produktbiotechnologie werden Mikroorganismen
mit speziellen Stoffwechselleistungen verwendet. Für einen stö
rungsfreien Prozess wäre eine laufende Überwachung erforderlich,
die über den aktuellen physiologischen Zustand der Mikroorganis
men ständig informiert.
Es hat dazu bisher nicht an Versuchen und Methoden gefehlt, sol
che Informationen zu ermöglichen.
Aus dem Stand der Technik ist die Anwendung der Fließinjektions
analyse (Flow Injection Analysis, FIA) bekannt. Dabei wird in
einem Fließsystem eine Probe injiziert und über eine Reaktions
strecke einem Detektor zur Ermittlung von Konzentrationsverände
rungen und anderen Messwertänderungen zugeführt. Bisher ist je
doch die Anwendung der FIA auf typische produktbiologische Zwecke
und wenige Zustandsgrößen wie z. B. Temperatur, pH-Wert beschränkt
(Schügerl: "Analytische Methoden in der Biotechnologie", Vieweg
1991).
Zur on line - Erkennung von toxischen Schwermetallen und organi
schen Kontaminanten und zur Kontrolle der Wasserqualität wird
weiterhin ein Analysator (Microtox®-OS Test System) der Firma
AZUR Environmental, Carlsbad, USA, beschrieben, mit welchem eine
automatische Schadstoffdetektion und Gewässerkontrolle mit Hilfe
von definierten Leuchtbakterien durchgeführt wird ("The Mikrotox®-
OS Test System, Continuous Water Quality Monitoring", Firmenschrift
AZUR Environmental, 1997).
Ferner ist aus der DE 29 51 5965 U1 eine Durchflussmesszelle für
Biosensoren bekannt, die jedoch eine komplizierte Messeinrichtung
aufweist.
Alle bekannten Methoden und Anordnungen ermöglichen jedoch keine
frühzeitige bzw. laufende Erkennung schnell wechselnder biospezi
fischer Prozesszustände.
Der Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, ein Verfahren
zur laufenden Überwachung aerober biotechnologischer Prozesse und
damit zur Havariefrüherkennung bei diesen Prozessen zu entwickeln.
Außerdem soll eine wirkungsvolle Vorrichtung zur Durchführung die
ses Verfahrens geschaffen werden.
Das Verfahren gem. der Erfindung löst dieses Problem mit den kenn
zeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausge
staltungen hiervon sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 angegeben.
Danach werden in einem Fließsystem prozesseigene Mikroorganismen
in eine Messkammer eingebracht, kalibriert und von potentiell to
xisch wirkenden Substanzen überströmt. Gleichzeitig werden in einer
zweiten Messkammer des Fließsystems prozesseigene Mikroorganismen
von einer Trägerlösung überströmt und in beiden Messkammern werden
die Gelöstsauerstoffkonzentrationen detektiert und nachfolgend aus
gewertet.
Während des Messvorganges liegen dabei die prozesseigenen Mikro
organismen in den Messkammern gem. Patentanspruch 2 immobilisiert
oder frei suspendiert gem. Patentanspruch 3 vor.
Vorteilhafterweise erfolgt nach Beendigung des Messvorganges gem.
Patentanspruch 4 eine automatische Reinigung der Messkammern.
Die zur Durchführung des Verfahrens geschaffene Vorrichtung ist
durch die Merkmale des Patentanspruches 5 gekennzeichnet.
Zweckmäßige Ausgestaltungen hierzu sind in den Patentansprüchen 6
bis 8 angegeben.
Danach besteht die Vorrichtung aus einem Fließsystem mit parallel
angeordneten Messkammern 1,1 und 1,2; einer Steuerungs- und Auswer
teeinheit 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 an
geordnet.
Als Signalgeber werden vorzugsweise gem. Patentanspruch 7 Sauer
stoff-Elektroden verwendet.
Weiterhin enthalten die Messkammern gem. Patentanspruch 8 vorzugs
weise eine semipermeable Membran mit einem Porendurchmesser unter
10 µm.
Das erfindungsgemäße Verfahren, unter Verwendung der erfindungs
gemäßen Vorrichtung weist den entscheidenden Vorteil auf, die pro
zesseigenen Mikroorganismen als sensitive Komponente zu nutzen und
damit auf die Verwendung zusätzlicher Mikroorganismen zu verzich
ten. Damit erzielte Kontrolluntersuchungen bestätigen den überra
schenden Vorteil dieser Methode. Die Erfindung ermöglicht ein lau
fendes Überwachen aerober biotechnologischer Prozesse und damit
eine Havariefrüherkennung. Die detektierten Signale ermöglichen
aktuelle Informationen über Zellzustände, Inhibierungen und Akti
vierungen sowie über mögliche Hemmzustände.
Das Verfahren und die Vorrichtung sind vielfältig einsetzbar, z. B.
zur Überwachung fermentatorischer Prozesse, zur Überwachung der
Abwasserreinigung in Belebungsbecken sowie im Labor für Screening-
Tests.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen
und Anwendungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen,
Fig. 1 eine Ausführungsform der Fließstrecke
Fig. 2 resultierende Mess-Signale in allgemeiner Form
Fig. 3,1 und 3,2 Mess-Signale gem. Anwendungsbeispiel 1
Fig. 4 Dosis-Wirkungs-Beziehung von Cadmium auf die Mikroorga
nismen
Fig. 5 die Hemmung von Wachstumsrate und Styrolabbaurate durch
Cadmium
Fig. 6 Dosis-Wirkungs-Beziehung von handelsüblichem Tensid auf
eine Belebtschlammpopulation gem. Anwendungsbeispiel 2
Fig. 7 Wachstumshemmung von Belebtschlammorganismen gem. Anwen
dungsbeispiel 2.
Das Fließsystem weist zwei parallel angeordnete Messkammern 1,1
und 1,2 auf, welche Signalgeber 4 enthalten, eine Steuerungs- und
Auswerteeinheit 2 verbunden mit einer Anzeigeeinrichtung 3 sowie
übliche Pumpen und Absperreinrichtungen. Als Pumpen dienen vorzugs
weise Peristaltikpumpen und für die Absperreinrichtungen bevorzugt
Schlauchquetschventile.
In der Messkammer 1,1 läuft der eigentlichen Messvorgang bzw. Mess
zyklus ab, während die Messkammer 1,2 zu Referenzmessungen dient.
Als Signalgeber 4 werden in einer bevorzugten Ausführung Sauerstoff-
Elektroden eingesetzt, die sich in den Messkammern in unmittelbarer
Nähe der Mikroorganismen befinden.
Zu Beginn der Messung wird suspendierte Biomasse mit den zu cha
rakterisierenden Mikroorganismen zu den Messkammern 1,1 und 1,2
gefördert.
Die Biomasse kann während der Messung als Suspension in den Mess
kammern vorliegen oder sie wird an einer semipermeablen Membran,
vorzugsweise einer Kernspurmembran mit Porendurchmessern unter
10 µm immobilisiert.
Anschließend wird eine sauerstoffhaltige Trägerflüssigkeit (Car
rier), vorzugsweise eine sauerstoffhaltige Pufferlösung, zu den
Messkammern gefördert. Mittels der Signalgeber 4 werden nun Sig
nale über die Steuerungs- und Auswerteeinheit erfasst - eine
Grundlinie wird eingestellt.
Zu diskreten Zeitpunkten werden weiterhin die in beiden Messkam
mern befindlichen Mikroorganismen mit einem verwertbaren Substrat
zur Kalibrierung kurzzeitig beprobt, welches messbare Stoffwech
selreaktionen bewirkt. Die Beprobung erfolgt vorzugsweise auf
bei
den Messkammern gleichzeitig. Die aus den Stoffwechselreaktionen
resultierenden Signale werden aufgezeichnet und ausgewertet.
In Fig. 2 ist ein Messablauf unter Verwendung von Sauerstoffelek
troden als Signalgeber dargestellt. Das Signal aus der Messkammer
1,1 ist dabei als Kurve a dargestellt, das Signal aus der Mess
kammer 1,2 in Kurve b. Die Abschnitte Ia und Ib zeigen die resul
tierenden Signale auf 3 aufeinanderfolgende Substratbeprobungen
während der Kalibrierungsphase.
Anschließend werden die in der Messkammer 1,1 befindlichen Mikro
organismen für eine defininierte Dauer mit einer potentiell to
xisch wirkenden Substanz (Noxe) z. B.. Industrieabwasser überströmt.
Während dieser Noxenkontaktphase werden die Mikroorganismen in
der Messkammer 1,2 mit Carrier überströmt (Abschnitte IIa und IIb).
Nach Beendigung des Noxenkontaktes erfolgt analog Abschnitt I eine
Substratbeprobung. Dies stellt die Messphase dar. Eine schädigende
Wirkung der Noxe auf die eingesetzten Mikroorganismen wird erkannt,
wenn die Signale auf die Substratbeprobungen in Messkammer 1,1 nach
Noxenkontakt kleiner als vor Noxenkontakt sind. Die Kontrolle er
folgt anhand der Signale der Mikroorganismen aus der Messkammer 1,2.
Hier sollen die Signale in Abschnitt IIIb analog zu denen aus Ab
schnitt Ib sein. Gegebenenfalls dienen diese Signale zur Fehlerkor
rektur der Signale aus der Messkammer 1,1. Alle Mess-Signale werden
in der Steuerungs- und Auswerteeinheit erfasst, mathematisch aufge
arbeitet und ein Toxizitätsgrad als Messergebnis errechnet, welcher
die Hemmwirkung der toxischen Probe auf die eingesetzten Mikroorga
nismen angibt.
Am Ende des Messvorganges bzw. der Messzyklen erfolgt die Reini
gung der Messkammern, indem eine Spüllösung die Messkammern durch
strömt.
Die aromatische Verbindung Styrol wird in der chemischen Industrie
vielseitig als Lösungsmittel oder als Reaktionspartner z. B. für
die Herstellung von Kunststoffen verwendet. Styrol tritt dadurch
in vielen Prozessen als Schadstoff in der Abluft auf, die Dämpfe
sind gesundheitsschädigend.
Die Beseitigung von Styrol aus Abgasen kann u. a. durch Gaswäsche
und anschließend einem mikrobiologischen Abbau der entstandenen
Flüssigphase (styrolhaltiges Abwasser) erfolgen. Der Bakterien
stamm Pseudomonas spec. ist in der Lage, Styrol als einzige Koh
lenstoff- und Energiequelle, aerob bis zu Kohlendioxid und Wasser
umzusetzen und wird zum biotechnologischen Styrolabbau aus der
Flüssigphase eingesetzt.
Dabei kommt es produktionsbedingt in bestimmten Intervallen zum
Eintragen von Nebenschadstoffen, wie Schwermetallen, in die Wasch
flüssigkeiten. Vorherrschend sind dabei u. a. Cadmiumionen. Diese
wirken stark schädigend auf die Atmungsaktivität der Mikroorganis
men und gefährden somit den Prozess.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zu diskreten
Zeitpunkten anfallende Mikroorganismensuspensionen aus dem Abbau
prozess entnommen und zeitgleich in den Messkammern 1,1 und 1,2
immobilisiert. Als Carrier dient ein Kalium-Phosphat-Puffer mit
einem pH-Wert von 7,0; einer Puffermolarität von 10 mM, einer
konstanten Temperatur von 24°C und einem korrespondierenden Sauer
stoffgehalt bei Normaldruck von 8,41 mg/l. Mit dem Carrier werden
beide Messkammern überströmt. Es erfolgt eine dreimalige sequen
tielle Beprobung beider Messkammern mit Styrol in einer Konzent
ration von 1 mM (Phase I). Nachfolgend wird die Messkammer 1,1
mit cadmiumhaltigem Abwasser überströmt (Phase IIa). Gleichzeitig
überströmt der Carrier die Messkammer 1,2 (Phase IIb). Daraufhin
erfolgt eine nochmalige dreifache Beprobung der beiden Messkam
mern zeitgleich mit Styrol analog Phase I (Phase III).
Während des gesamten Messablaufes wird die Atmungsaktivität der
Mikroorganismen in beiden Messkammern erfasst und ausgewertet.
Nach vollendeter Messung werden die Messkammern gespült und mit
aktuellen Mikroorganismen aus dem Prozess neu bestückt. Die für
weitere Messungen eingesetzten Abwässer enthielten verschiedene
Konzentrationen an Cadmiumnitrat, welches die Atmungsaktivität
der Mikroorganismen deutlich hemmt.
Die Meßsignale einer Messung sind aus den Fig. 3,1 und 3,2
zu entnehmen.
Parallel zu dieser Messung wurden mittels Atomabsorptionsspek
troskopie (AAS) ein Cadmiumgehalt von 15 mg/l ermittelt. Die
ermittelte Hemmwirkung der Atmungsaktivität der im eingesetzten
Abwasser aktuellen Prozesspopulation von Pseudomonas spec. betrug
30%.
Aus den weiteren Messungen resultiert die Dosis-Wirkungs-Beziehung von
Cadmium auf den eingesetzten Prozess-Stamm. Die Ergebnisse sind
aus Fig. 4 zu entnehmen.
Weiterhin ist aus Fig. 5 eine Hemmwirkung beim realen Abbau von
Styrol im Prozess in Anwesenheit unterschiedlicher Cadmiumkonzentra
tionen vergleichend dargestellt.
In biologischen Stufen von Abwasserreinigungsanlagen sind Tenside
eine häufige Schadstoffgruppe. Bei den aeroben Belebungsstufen
eingesetzten Mikroorganismen handelt es sich um Mischpopulationen
verschiedenartigster Species, die in der Lage sind vielfältige
organische Schadstoffe in kommunalen und industriellen Abwässern
umzusetzten. Dabei können Tenside in hohen Konzentrationen den
vorgesehenen mikrobiellen Abbau empfindlich stören und die Stoff
übergangsvorgänge in die Zellen und in den Zellen hemmen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde die Hemmwirkung ver
schiedener Konzentrationen handelsüblicher Tenside auf den kommu
nalen Belebtschlamm aus einer Abwasserreinigungsanlage überprüft.
Dazu wurde der Abbauprozess mit originalem Belebtschlamm in einer
Laborkläranlage simuliert. Als Substrat wurde ein künstliches
Abwasser, bestehend aus Glutaminsäure, Glukose und Harnstoff ein
gesetzt. Die Messbedingungen wurden analog Anwendungsbeispiel 1
eingestellt. Als Proben dienten Abwasser mit verschiedenen Tensid
konzentrationen.
Aus Fig. 6 sind die Dosis-Wirkungs-Beziehungen von handelsübli
chem Tensid, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelt, auf
eine Belebtschlammpopulation zu entnehmen. Weiterhin zeigt die
Fig. 7 die Wachstumshemmung von Belebtschlammorganismen in Abhän
gigkeit verschiedener Tensidkonzentrationen im Prozess.
Mit der erfindungsgemäßen Fließstrecke konnten Hemmwirkungen über
100 mg/l Tensid sicher nachgewiesen werden.
Claims (8)
1. Verfahren zur Überwachung aerober biotechnologischer Prozesse,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem Fließsystem prozesseigene
Mikroorganismen in eine Messkammer eingebracht, kalibriert und
von potentiell toxisch wirkenden Substanzen überströmt werden;
gleichzeitig werden in einer zweiten Messkammer prozesseigene
Mikroorganismen von einer Trägerlösung überströmt und in beiden
Messkammern die Änderung von Zustandsgrößen detektiert und nach
folgend ausgewertet.
2. Verfahren gem. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während
des Messvorganges die prozesseigenen Mikroorganismen in den
Messkammern immobilisiert vorliegen.
3. Verfahren gem. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während
des Messvorganges die prozesseigenen Mikroorganismen in den
Messkammern frei suspendiert vorliegen.
4. Verfahren gem. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Be
endigung des Messvorganges eine automatische Reinigung der Mess
kammern erfolgt.
5. Vorrichtung zur Überwachung aerober biotechnologischer Prozes
se gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrich
tung aus einem Fließsystem mit zwei parallel angeordneten Mess
kammern 1,1 und 1,2; einer Steuerungs-Auswerteeinheit 2 - ver
bunden mit einer Anzeigeeinheit 3 sowie Pumpen und Absperrein
richtungen - besteht.
6. Vorrichtung gem. Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Messkammern Signalgeber 4; in räumlich enger Kopplung zu den
prozesseigenen Mikroorganismen enthalten.
7. Vorrichtung gem. den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeich
net, dass die Signalgeber 4 vorzugsweise Sauerstoff-Elektroden
sind.
8. Vorrichtung gem. Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Messkammern vorzugsweise eine semipermeable Membran mit einem
Porendurchmesser unter 10 µm enthalten.
Priority Applications (1)
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- 1999-04-21 DE DE1999117956 patent/DE19917956C2/de not_active Expired - Fee Related
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Süßmuth, Eberspächer, Haag & Springer, Bio- chemisch-mikrobiologisches Praktikum, 1. Aufl., Thieme Verlag, Stuttgart (1987), S. 358-361 * |
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DE19917956C2 (de) | 2003-01-09 |
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