DE19917955C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Kurzzeitbestimmung des biologischen Sauerstoffbedarfs - Google Patents

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.

Anwendungsbeispiel 1

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.

Anwendungsbeispiel 2

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.

Tabelle 1

Ergebnisse zum Beispiel 1

Tabelle 2

Ergebnisse zum Beispiel 2

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.