Schnel­le Bestim­mung von Makro­nähr­stof­fen und Spu­ren­ele­men­ten erhöht die Produktivität

Pro­blem­stel­lung

Die Abläu­fe in einer Bio­gas­an­la­ge erfolgt in meh­re­ren Schrit­ten. Begin­nend mit der Ver­mi­schung der Ein­satz­stof­fe (Sub­stra­te) mit dem flüs­si­gen Fer­men­ter­in­halt, der Homo­ge­ni­sie­rung der zuge­führ­ten Bio­mas­se, wer­den ver­schie­de­ne enzy­ma­ti­sche und hydro­ly­ti­sche Vor­gän­ge akti­viert, die den Abbau von poly­me­rer Zell­sub­stanz durch Mikro­or­ga­nis­men ermög­li­chen. Nach meh­re­ren wei­te­ren Abbau­schrit­ten erfolgt als letz­te Stu­fe die Methan­gas­pro­duk­ti­on durch die metha­no­ge­nen Archae­en (Methan­bild­ner).

Die an die­sen Vor­gän­gen betei­lig­ten Mikro­or­ga­nis­men, benö­ti­gen zur Auf­recht­erhal­tung des Stoff­wech­sels und zur eige­nen Ver­meh­rung zunächst ein­mal Nähr­stof­fe, die sog. Makro­nähr­stof­fe. Die­se sind: Was­ser­stoff (H), Koh­len­stoff ©, Stick­stoff (N), Sauer­stoff (O), Phos­phor ℗ und Schwe­fel (S). Dane­ben ist eine aus­rei­chen­de Ver­füg­bar­keit von z.B. Natri­um (Na), Kali­um (K), Kal­zi­um (Ca), Eisen (Fe) und Magne­si­um (Mg) für die Mikro­or­ga­nis­men von gro­ßer Bedeutung.

Als essen­ti­el­le Spu­ren­ele­men­te im Bio­gas­re­ak­tor gel­ten u.a. Nickel (Ni), Kobalt (Co), Molyb­dän (Mo) und Selen (Se). Aber auch ande­re Metal­le, wie z.B. Kup­fer (Cu), Zink (Zn), Man­gan (Mn), Wolf­ram (W) oder Vana­di­um (V) und Nicht­me­tal­le wie z.B. Bor (B) kön­nen im Stoff­wech­sel man­cher Mikro­or­ga­nis­men limi­tie­rend wir­ken, was even­tu­ell auch den Stoff­um­satz in einer Bio­gas­an­la­ge beein­flus­sen kann.

Eine schnel­le Ana­ly­tik zur Bestim­mung der Makro­ele­men­te Na, K, Ca, Mg, Fe, P und S und der Spu­ren­ele­men­te B, Co, Cu, Mn, Mo, Ni, Se, V, W und Zn in Fer­men­ter­mas­se von Bio­gas-Anla­gen erhöht die Pro­duk­ti­vi­tät und ermög­licht ein schnel­les Ein­grei­fen bzw. Regu­lie­ren des Nährstoffhaushaltes.

Moti­va­ti­on

Die schnel­le Ana­ly­tik besteht im Wesent­li­chen aus 3 zeit­be­stim­men­den Arbeitsschritten:

1. Trock­nen einer gro­ßen inho­mo­ge­nen Fermenter-Probenmenge
2. Auf­schlie­ßen mit Mine­ral­säu­re zur Her­stel­lung einer homo­ge­nen Probenlösung
3. Mes­sung der o. g. Ele­men­te mit einem Spektrometer

Eine schnel­le Ana­ly­tik schei­tert bei der Ver­wen­dung kon­ven­tio­nel­ler Labor­ge­rä­te dar­an, das allei­ne die Trock­nung der flüs­si­gen Fer­men­ter­pro­be in einem klas­si­schen Tro­cken­schrank vie­le Stun­den, typi­scher­wei­se bis zu 10 Stun­den dau­ert. Hin­zu kommt der unan­ge­neh­me Geruch der Pro­be beim Trock­nen. Anschlie­ßend wird die getrock­ne­te Pro­be auf­ge­schlos­sen, was wie­der­um vie­le Stun­den dau­ert. Es kann also auf gar kei­nen Fall unmit­tel­bar nach der Pro­ben­nah­me ein aus­sa­ge­kräf­ti­ges Ergeb­nis erhal­ten wer­den, was ein schnel­les Ein­grei­fen ermöglicht.

CEM stellt hier eine Metho­de vor, die es dem Betrei­ber von Bio­gas Anla­gen ermög­licht, in kur­zer Zeit bin­nen nur einer Stun­de die Makro­ele­men­te des Nähr­stoff­haus­hal­tes und die Spu­ren­ele­men­te zu mes­sen. Das Prin­zip sieht so aus: Die Flüs­sig­pro­be wird in einem Mikro­wel­len-Tro­cken­schrank schnell getrock­net und die getrock­ne­te Pro­be wird mit Sal­pe­ter­säu­re in einem Mikro­wel­len-Druck­auf­schluss Sys­tem auf­ge­schlos­sen. Auf­grund der Flüch­tig­keit ver­schie­de­ner Ele­men­te und Ele­ment­ver­bin­dun­gen (z.B. Selen) ist ein Druck­auf­schluß not­wen­dig. Die Mas­sen­kon­zen­tra­tio­nen der genann­ten Ele­men­te in der Auf­schluss­lö­sung kön­nen mit einem Ato­m­emis­si­ons­spek­tro­me­ter mit induk­tiv gekop­pel­tem Plas­ma (ICP-OES) gemes­sen werden.

Die Lösung

So sieht die schnel­le Metho­de im Detail aus:

1. Trock­nen einer gro­ßen inho­mo­ge­nen Fermenter-Probenmenge

10 g der nas­sen und inho­mo­ge­nen Fer­men­ter­pro­be wer­den in eine Trock­nungs­scha­le ein­ge­wo­gen und die­se in den Mikro­wel­len-Tro­cken­schrank SAM 255 gestellt. Die Pro­be wird bei 105 °C bis zur Gewichts­kon­stanz getrocknet.

Die Trock­nung die­ser Fer­men­ter­pro­ben dau­ert im Mikro­wel­len-Tro­cken­schran­kes typi­scher­wei­se 15 min. Der Tro­cken­schrank ver­fügt über eine Tem­pe­ra­tur­kon­trol­le und es kön­nen vie­le Pro­ben gleich­zei­tig getrock­net wer­den. Zudem ver­fügt das SAM 255 über ein inte­grier­tes Abluft­sys­tem, so das kei­ner­lei Gerü­che an die Labor­um­ge­bung abge­ge­ben werden.

2. Auf­schlie­ßen mit Mine­ral­säu­re zur Her­stel­lung einer homo­ge­nen Probenlösung

Von der getrock­ne­ten Pro­be wird 1 bis 1,5 g in ein Druck­auf­schluß­ge­fäß des Mikro­wel­len-Auf­schluss­ge­rä­tes Dis­co­ver SP‑D 80 ein­ge­wo­gen, mit 14 ml Sal­pe­ter­säu­re ver­setzt und bei 200 °C wird der Druck­auf­schluss durch­ge­führt. Nach typi­scher­wei­se 20 min. wird eine was­ser­kla­re homo­ge­ne Auf­schluss­lö­sung erhalten.

Auf­grund der exo­ther­men Zer­set­zungs­re­ak­tio­nen die­ser gro­ßen orga­ni­schen Pro­ben­men­ge ist es von Vor­teil, dass das Dis­co­ver SP‑D 80 über ein Rühr­sys­tem ver­fügt. Auf­grund der bes­se­ren Durch­mi­schung von Pro­be mit Säu­re wer­den exo­ther­me Druck­spit­zen ver­mie­den und somit die Arbeits­si­cher­heit erhöht. Beson­ders geeig­net sind TFM geman­tel­te Rühr­fi­sche zur Ver­mei­dung von mög­li­chen Kon­ta­mi­na­tio­nen durch den Rührfisch.

3. Mes­sung der o. g. Ele­men­te mit einem Spektrometer

Auf­grund der hohen Ein­waa­ge beim Auf­schluss  wird für eine hohe Homo­ge­ni­tät der Auf­schluss­lö­sung von einer hete­ro­ge­nen Pro­ben­ma­trix gesorgt. Zudem wird auch die Bestim­mung der Ele­men­te in nach­weis­schwä­che­ren spek­tro­me­tri­schen Gerä­ten wie der ICP-OES ermög­licht, die in vie­len Labors vor­han­den ist und es muß kei­ne ICP-MS auf­grund der hohen Emp­find­lich­keit ver­wen­det werden.

Fazit

In Zusam­men­wir­ken die­ser schnel­len Mikro­wel­len-Trock­nung von Fer­men­ter­pro­ben mit anschlie­ßen­dem schnel­len Mikro­wel­len-Druck­auf­schluss einer gro­ßen Pro­ben­men­ge und der simul­ta­nen Bestim­mung aller Makro-Nähr­stof­fe und Spu­ren­ele­men­te mit­tels Spek­tro­me­trie in weni­ger als einer Stun­de erlaubt es dem Betrei­ber von Bio­gas Anal­gen erst­mals ein schnel­les Ein­grei­fen in den lau­fen­den Pro­zess.