DE4137140A1

DE4137140A1 - Verfahren und einrichtung zum bestimmen der mengen gasfoermiger reaktionsprodukte bei biochemischen und/oder chemischen vorgaengen, insbesondere bei der denitrifikation und gaerung

Info

Publication number: DE4137140A1
Application number: DE19914137140
Authority: DE
Inventors: Helmut Prof Dr Ing Steinecke; Wolfgang Fischer; Wolf-Ruediger Dr Ing Mueller; Carsten Dipl Chem Schaefer
Original assignee: Buehler Edmund & Co GmbH
Current assignee: MUELLER, WOLF-RUEDIGER, DR.-ING., 70563 STUTTGART,
Priority date: 1991-11-12
Filing date: 1991-11-12
Publication date: 1993-05-13

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Bestimmen der Gasproduktion bei biochemischen und/oder chemischen Vorgängen, insbesondere bei der Denitrifikation (Reduktion von Nitrat) und der Methanbildung bei anaeroben biologischen Prozessen, wie sie z. B. bei der Trinkwasser aufbereitung, Abwasserbehandlung, im Boden und bei bio technologischen Prozessen ablaufen, durch Messen der zum Kompensieren eines in einem geschlossenen System entste henden Überdrucks erforderlichen Volumenvergrößerung.

Bisher sind einige Verfahren und Geräte zur Messung des Verbrauchs und/oder der Bildung gasförmiger Substanzen bei biochemischen Vorgängen bekannt. Im folgenden werden sie kurz beschrieben und ihre Nachteile gegenüber der Erfin dung erläutert.

Zur manometrischen Messung des Gasverbrauchs bzw. der Gas bildung bei konstantem Volumen ist die Apparatur nach Warburg bekannt (A. Kleinzeller: "Manometrische Meßmetho den und ihre Anwendung in der Biologie und Biochemie", Jena: G. Fischer Verl., 1965). Im Gegensatz zur Erfindung bestehen bei diesem Verfahren jedoch die Nachteile, daß es sich einerseits um ein offenes System handelt, das von atmosphärischen Luftdruckschwankungen abhängig ist, und daß andererseits keine automatisierte, kontinuierliche ("on line") Messung möglich ist.

Ebenso bekannt sind Geräte zur manometrischen Messung der Druckänderung durch Gasbildung bzw. -verbrauch in einem geschlossenen System, z. B. mit piezoresistiven Druck sensoren ("Warburg-Systemanlage", Firma Plischke & Buhr, Bonn). Die Nachteile dieses Geräts gegenüber der Erfindung sind die apparativ begrenzte Überdruckbildung sowie die potentielle Beeinträchtigung der biologischen Prozesse durch den Über- bzw. Unterdruck im System.

Weiterhin bekannt ist die automatisierte, volumetrische Messung des biochemischen Sauerstoffbedarfs in einem ge schlossenen System durch Messung der zugeführten Menge an Sauerstoff, die nötig ist, um den Druck im System aufrecht zuhalten. Beispiele hierfür sind der "Sapromat" und der "Ascomat" (H. Steinecke: "Die direkte Bestimmung des bio chemischen Sauerstoffbedarfs", gwf-wasser/abwasser, 117, S. 454 - 461, (1976)). Im Gegensatz zu der Erfindung kann bei diesem Verfahren jedoch nur der Verbrauch einer ein zelnen Gaskomponente gemessen werden, die Gasproduktion dagegen kann nicht bestimmt werden.

Außerdem sind speziell entwickelte Gasuhren zur Messung der Gesamtgasproduktion bei biochemischen Prozessen be kannt, z. B. die "Pendelgasuhr" der Firma Bionic in Simbach. Die Nachteile derartiger Geräte sind, daß die Messung aufgrund des offenen Systems abhängig von atmo sphärischen Luftdruckschwankungen ist, und daß keine drucklose Messung möglich ist.

Bei einem anderen bekannten Verfahren werden durch das Reaktionsgefäß ein Luftstrom hindurchgeleitet und einzelne Komponenten im auftretenden Luftstrom gemessen. Zur Mes sung dienen einerseits spezifische Sensoren, wie z. B. ein CO₂-Infrarotsensor und ein elektrochemischer O₂-Sensor in dem Gerät "Micro-Oxymax" der Firma Columbus Instruments in Columbus, Ohio, USA. Andererseits können Gaskompo nenten durch Reaktionen in spezifischen Absorptionsmedien gemessen werden, wie z. B. in dem "Ultragas Analysator" der Firma Wösthoff, Bochum. Die Nachteile gegenüber der Erfindung sind bei diesen Geräten, daß nur spezifische Gaskomponenten meßbar sind und z. B. für die Messung der N₂-Produktion bei der Denitrifikation keine praktikable Meßmethode zur Verfügung steht.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, unter Ver meidung der genannten Nachteile das eingangs genannte Ver fahren so zu gestalten und hierfür eine Einrichtung zu schaffen, daß sie eine automatisierte, kontinuierliche und volumetrische Messung der Mengen beliebiger gasförmiger Reaktionsprodukte von biochemischen und/oder chemischen Vorgängen bei konstantem Druck (manostatisch) ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches aufgeführ ten Merkmale gelöst. Das abgeschlossene Meßsystem wird also beim Erreichen eines minimalen Überdrucks vergrößert, bis der Ausgangsdruck wieder hergestellt ist. Außerdem kann durch die Absorption bestimmter gasförmiger Reak tionsprodukte innerhalb des geschlossenen Systems die ge trennte Erfassung verschiedener gasförmiger Reaktions produkte ermöglicht werden. Weiterhin kann durch periodi sche Substratzufuhr, z. B. proportional zur Gasentwick lung, die Reaktion über längere Zeit im gewünschten Umfang aufrechterhalten sowie durch pH-Regelung der pH-Wert kon stant gehalten werden.

Zur Durchführung dieses Verfahrens wird eine Einrichtung vorgeschlagen, in welcher erfindungsgemäß ein Reaktions gefäß, in dem der biochemische Vorgang abläuft, und eine Vorrichtung zum druckabhängigen Auslösen der Volumenver größerung druck- und diffusionsdicht miteinander verbunden sind und mit einer Meßeinrichtung zur Anzeige und/oder Registrierung des Volumens der gasförmigen Reaktionspro dukte in Wirkverbindung stehen. Dabei dient zweckmäßiger weise ein Druckgeber, z. B. in Form eines Schaltmano meters, als Auslösevorrichtung für die Volumenvergröße rung, die ihrerseits z. B. durch die motorische Verstel lung einer Kolbenbürette bewirkt wird.

Die getrennte Erfassung verschiedener Reaktionsprodukte ist möglich, indem der Inhalt der zur Überdruckkompensa tion eingesetzten Kolbenbürette durch eine spezifische Absorptionseinrichtung zu einer weiteren Kolbenbürette ge leitet wird. Die sich dabei ergebende Volumenverminderung entspricht der absorbierten Reaktionskomponente. Durch eine in das System integrierte Meßeinrichtung für den absoluten Druck wird die Umrechnung der ermittelten Volumina der Reaktionsprodukte in die entsprechenden Ge wichte ermöglicht.

Die kontinuierliche Zufuhr des flüssigen Substrats wird z. B. durch eine weitere Kolbenbürette ermöglicht. Das dabei eingebrachte Volumen muß bei der Erfassung der gas förmigen Reaktionsprodukte berücksichtigt werden.

Die pH-Regelung wird dadurch ermöglicht, daß mit dem Reak tionsgefäß eine pH-Elektrode und ein bzw. zwei Dosier geräte für Säure und/oder Lauge druckdicht verbunden sind.

Die im Reaktionsgefäß befindliche Probe wird durch eine Rühreinrichtung, z. B. einen Magnetrührer, ständig durch mischt, damit insbesondere der Gasaustausch zwischen der Probe und dem im System eingeschlossenen Gasvolumen ge währleistet ist.

Die Meßwerte können angezeigt und/oder registriert bzw. einer Datenerfassungs- und Auswerteeinrichtung zugeführt werden.

Das gesamte Meßsystem kann in einem temperaturkonstanten Raum bzw. in einem thermostatisierten Schrank unterge bracht werden, damit die Erfassung der Volumina nicht durch Temperaturschwankungen beeinträchtigt wird.

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele von Einrich tungen zur Durchführung des Verfahrens anhand der beilie genden Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Einrichtung mit ihren Einzel teilen;

Fig. 2 ein Diagramm und eine Tabelle über eine Gasbildung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Einrichtung.

Fig. 1 zeigt eine bereits erprobte Einrichtung, die ins besondere zur Messung der gasförmigen, stickstoffhaltigen Reaktionsprodukte bei der Denitrifikation geeignet ist. Die Einrichtung besteht im wesentlichen aus einem Reak tionsgefäß 1, einem Substratdosiergerät 2, einer Meß bürette 3 mit einer Antriebseinheit 15, einem Druckgeber 4 und einem CO₂-Absorber 6 sowie einer Steuer- und Aus werteeinheit 7.

Durch einen Stopfen 8, an dem die CO₂-Absorptionsein richtung befestigt ist, ist das Reaktionsgefäß 1 über ent sprechende Verbindungen druck- und diffusionsdicht mit der Meßbürette 3 und dem Druckgeber 4 verbunden.

Die CO₂-Absorptionseinrichtung ist so konstruiert, daß das aus dem Reaktionsgefäß in die Meßbürette strömende Gas zwangsweise durch das Absorberbett strömt.

Das Reaktionsgefäß 1 ist außerdem zur Regelung des pH-Wer tes auf einen konstanten Wert mit einem dem Substrat dosiergerät 2 für Säure verbunden und ermöglicht durch entsprechende Anschlüsse die Aufnahme einer pH-Elektrode 9 mit Grenzwertgeber und/oder anderer Meßsonden 10, wie z. B. Gassonden für CO₂ oder Methan. Die in das Reak tionsgefäß 1 eingefüllte wäßrige Probe 11 wird durch eine Magnetrühreinrichtung, bestehend aus einem eingelegten Magnetstab 12 und rotierenden Magneten 13, durchmischt. Die Steuer- und Auswerteeinheit 7 ist einerseits mit Druckgebern für den Systemdruck 4 und für den Außenluft druck 20 sowie mit der pH-Elektrode 9 und/oder anderen Sonden 10 über Meßleitungen und andererseits mit Antrieben (impulsgesteuerte Schrittmotoren) der Dosiergeräte und der Meßbürette über Steuerleitungen verbunden. Die Schritt motoren werden jeweils mit einem voreinstellbaren Impuls paket in einem vorgewählten Zeittakt durch die jeweiligen Geber (Druckgeber 4 und pH-Grenzwertgeber 10) angesteu ert. Die Erfassung der Meßwerte, d. h. der Volumina an gebildetem Gas und an zudosierter Flüssigkeit, erfolgt dann über die Erfassung der Anzahl der Impulspakete durch einen Rechner 21. Zur Erweiterung des Meßbereichs der Meß bürette 3 ist ein steuerbares Ventil 22 in das System integriert, durch das bei Rückstellung der Meßbürette in die Ausgangsstellung eine entsprechende Gasmenge entwei chen kann.

Eine in das Reaktionsgefäß eingefüllte Probe, bei der die Intensität und der Umfang des Denitrifikationsprozesses gemessen werden soll, wird durch den Magnetrührer so durchmischt, daß die in der Probe gelösten Gase mit der über der Probe befindlichen Gasphase einem Gleichgewicht zustreben. Die entstehenden gasförmigen Reaktionsprodukte gehen somit weitgehend in die Gasphase über und erhöhen damit die entsprechenden Partialdrücke und demzufolge auch den Gesamtdruck, der durch den Druckgeber ermittelt und in einem vorgewählten Zeittakt, z. B. alle 30 Sekunden, an die Steuer- und Auswerteeinheit weitergegeben wird. Die Meßbürette wird durch Steuerbefehle von der Steuer- und Auswerteeinheit mittels des Schrittmotors verstellt, bis der Druck wieder den Ausgangswert erreicht hat. Über die Anzahl der Impulspakete, mit der der Schrittmotor der Meß bürette angesteuert wird, wird das Volumen der gasförmigen Reaktionsprodukte ermittelt.

Beim Denitrifikationsprozeß entsteht in erster Linie ele mentarer Stickstoff, doch können auch andere Reaktionspro dukte, wie z. B. Kohlendioxid, Distickstoffoxid (Lachgas) oder Stickstoffmonoxid, entstehen. Eine Differenzierung zwischen den Komponenten ist durch die selektive Absorp tion einzelner Komponenten, z. B. durch Absorption von CO₂ mit Natronkalk, möglich. Ebenso möglich ist die Ent nahme einer Gasprobe mit einer Spritze an mit gasdichten Septen versehenen Probenahmestellen 23 und 24 und die analytische Bestimmung der Einzelkomponenten, z. B. durch gaschromatographische Analyse. Nach der Entnahme einer Probe wird ein der Probemenge entsprechendes Quantum an Intertgas wieder zugegeben, um den Druck wieder auszuglei chen.

Mit dem Substratdosiergerät wird zur Aufrechterhaltung der Denitrifikation Substrat in das Reaktionsgefäß dosiert. Die Substratzufuhr wird prozeßabhängig, d. h. in Abhängig keit von der gebildeten Gasmenge, gesteuert. Da die gebil dete Gasmenge vom Rechner registriert wird, kann durch diese Abhängigkeit auch das zugeführte Substratvolumen vom Rechner ermittelt und bei der Meßwertangabe berücksichtigt werden.

Im folgenden werden beispielhaft einige Ergebnisse ge zeigt, die bisher mit dieser Apparatur erhalten wurden.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Gasbildung, und die Tabelle zeigt die ermittelten Daten bei der Unter suchung der Gasentwicklung beim Abbau von Ethanol und 3-Hydroxybuttersäure (HBS) unter denitrifizierenden Bedin gungen, das bedeutet in Abwesenheit von Sauerstoff und in Anwesenheit von Nitrat als terminalem Wasserstoff-Acceptor der Atmungskette.

Die Versuche wurden bei 20°C in einer mit Belebtschlamm (Konz. 15 mg/l Trockensubstanz) angeimpften, auf pH 7.0 gepufferten Mineralstoff- und Spurenelementlösung angesetzt (3.5 g/l K₂HPO_4, 1.5 g/l KH₂PO₄, 0.1 g/l MgSO₄*7H₂O, 1.0 g/l (NH₄)₂SO₄ sowie in Spuren Ca, Fe, Mn, Mo und Cu).

Das auf Normbedingungen (1013 mbar, 273 K) umgerechnete Gasvolumen V₀ ist in % der theoretischen Gasbildung (TGB) angegeben. Die TGB ist die Menge Stickstoff (N₂), die aus den stöchiometrischen Gleichungen

HBS:

5 C₄H₈O₃ + 18 NO₃⁻ → 9 N₂ + 18 HCO₃⁻ + 2 CO₂ + 11 H₂O Gl. (1)

Ethanol:

5 C₂H₆O + 12 NO₂⁻ → 6 N₃ + 10 HCO₂⁻ + 2 OH⁻ + 9 H₂O Gl. (2)

Gl. (1) und Gl. (2) für die Denitrifikationsreaktionen der untersuchten Substanzen berechnet werden kann.

Zur vergleichenden Beschreibung des Abbauverhaltens ist in der Tabelle der Fig. 2 der biologische Nitratbedarf BNB₄ nach 4 Tagen als Kriterium für den Abbaugrad der Substan zen nach 4 Tagen sowie die lag-Phase bis zum Beginn der deutlichen Abbauphase als Kriterium für die Anpassungszeit der Mikroorganismen an das Substrat aufgeführt. Der BNB ist in % des theoretischen Nitratbedarfs (TNB) - das ist die Menge Nitrat, die zum vollständigen Abbau der Substanz zu CO₂ und Wasser benötigt wird - angegeben.

In einem erweiterten Ausführungsbeispiel der Einrichtung nach Fig. 3 ist zusätzlich zum obigen Beispiel die simul tane Messung der Gasvolumina einzelner Gaskomponenten mög lich. Gleiche Teile wie in der Einrichtung nach Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugsziffern, ergänzt durch einen Indexstrich, bezeichnet. Hier ist eine über Ventile von der übrigen Apparatur abtrennbare Einheit mit dem Absorber 6′ und einer Ausgleichsbürette 5 vorhanden. In Fig. 3 sind außerdem Antriebseinheiten 15 und 16 für die Meßbürette 3′ und die Ausgleichsbürette 5, Stellungsgeber 17 und 18 für das Dosiergerät 2′ und die Meßbürette 3′ und ein Stel lungsgeber 19 für die Ausgleichsbürette 5 eingezeichnet.

Durch die gegenläufige Bewegung der Meß- und der Aus gleichsbürette und die Wirkung der Ventile wird die Gas phase durch den Absorber befördert und z. B. die Kohlen dioxid-Komponente absorbiert. Dadurch vermindert sich der Gesamtdruck um den Partialdruck der absorbierten Kompo nente. Durch die vom Druckgeber kontrollierte Verstellung der Meß- oder der Ausgleichsbürette wird die Druckabnahme kompensiert und das Volumen der absorbierten Komponente über den entsprechenden Stellungsgeber der Bürette 18 oder 19 durch die Steuer- und Auswerteeinheit 7′ ermittelt.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Mengen gasförmiger Stoff wechsel- bzw. Reaktionsprodukte bei biochemischen und/oder chemischen Reaktionen durch die Kompensation der im abgeschlossenen System sich infolge der gasför migen Produkte und der möglichen selektiven Absorption einzelner Komponenten ergebenden Druckänderungen, da durch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit vom System innendruck das Systemvolumen vergrößert und die Volu menveränderungen durch eine Steuer- und Auswerteeinheit (7, 7′) erfaßt, ausgewertet und an eine Datenausgabe weitergeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über zusätzliche Absorbereinheiten weitere Komponenten des produzierten Gasvolumens selektiv erfaßt werden, indem zeitabhängig und/oder in Abhängigkeit von der Volumenvergrößerung die Gasphase des Systems durch einen Absorber gefördert und der dadurch gegebenenfalls absinkende Innendruck durch Verkleinerung des System volumens wieder ausgeglichen wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reak tionsgefäß (1, 1′), in dem der gasförmige Reaktions produkte erzeugende Prozeß abläuft, mit einer Einrich tung zur Veränderung des Systemvolumens (3, 3′), einem Druckgeber (4, 4′) und mindestens einer Absorptions einheit (6, 6′) druck- und diffusionsdicht verbunden ist, und daß eine Steuer- und Auswerteeinheit (7, 7′) zur Steuerung der Meßvorgänge und zur Erfassung und Auswertung der Prozeßdaten mit den Einrichtungen in Verbindung steht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Reaktionsgefäß (1, 1′) ein Substratdosier gerät (2, 2′) druckdicht verbunden ist, das prozeß- oder zeitabhängig über die Steuer- und Auswerteeinheit (7, 7′) gesteuert Substrat dem Prozeß zuführt, und daß die mit diesem Vorgang verbundene Veränderung des Systemvolumens durch einen Rechner (21, 21′) regi striert und bei der Berechnung der Meßwerte berücksich tigt wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß mit dem Reaktionsgefäß (1, 1′) eine pH- Elektrode und ein bzw. zwei Dosiergeräte für Säure und/oder Lauge druckdicht verbunden sind und damit die Regelung des pH-Wertes auf einen konstanten Wert ermög licht ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Steuer- und Auswerte einheit (7′) steuerbares Ventil (16) vorgesehen ist, das bei Erreichen der Aufnahmekapazität der Meßbürette (3′) zeitweilig öffenbar ist, um den Kolben der Meß bürette (3′) in seine Ausgangslage zu bringen.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzliche, über steuerbare Ventile anschließbare Absorbereinheiten aufweist.