Promotionsbeispiel von Dr. Jörg Kretzschmar

Characterisation of a microbial electrochemical sensor platform for anaerobic digestion process control

Die Energieerzeugung aus Biogas trägt mit ca. 8 % zur Bruttoenergieerzeugung in Deutschland bei. Während die Stromerzeugung aus Solar- und Windkraftanlagen von schwankenden Wetterbedingungen und Tageszeiten abhängt, ist die Stromerzeugung aus Biogas in der Lage, Strom und Wärme bedarfsgerecht bereitzustellen. Flexible Energieerzeugung aus Biogas kann zum Beispiel über die Installation von zusätzlichen Gasspeichern ermöglicht werden. Ein anderer Ansatz ist die bedarfsgerechte Biogasproduktion durch eine zeitlich variable Zufuhr von Substraten wie Maissilage, Rindergülle und Stroh. Da hohe Substratinputraten aber den Prozess stören können, bestehen besondere Anforderungen an die Prozessüberwachung.

Um in Zukunft eine erfolgreiche Prozessteuerung zu etablieren, ist eine Echtzeitüberwachung von zentralen Prozessindikatoren, wie z. B. der Acetatkonzentration, notwendig. Zurzeit wird die Acetatkonzentration sowie die Konzentration anderer wichtiger flüchtiger Fettsäuren bzw. deren Salze (z. B. Propionat und Butyrat), mit zeitaufwendigen und kostenintensiven Methoden wie z. B. der Gas- oder Flüssigkeitschromatographie oder der automatisierten Titration bestimmt. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung und Charakterisierung eines mikrobiellen elektrochemischen Sensors zur Echtzeitmessung von Acetat im Biogasprozess. Der wichtigste Teil des Biosensors, der Rezeptor, besteht aus einem Geobacter sp. dominierten Biofilmauf einer Graphitelektrode. Die Bakterien oxidieren u. a. Acetat im Rahmen ihres Energiestoffwechsels. Die Stoffmenge an oxidiertem Acetat korreliert mit der Anzahl übertragener Elektronen und damit mit dem Sensorstrom. Im Rahmen der Arbeit wurden grundlegende Sensorparameter, wie der Messbereich, die Messauflösung, die Querempfindlichkeit und die Funktionsstabilität des Biosensors untersucht.


Neben der Bestimmung der genannten Parameter in künstlichem Abwasser wurden Experimente zum Funktionsnachweis des Sensors in seiner zukünftigen Prozessumgebung, dem Biogasprozess, durchgeführt. Weiterhin wurden für den mikrobiellen Rezeptor mögliche Störstoffe aus dem Biogasprozess untersucht. Hier wurde auf eine hohe Salz- und Ammoniumkonzentration sowie die Wirkung von Fumarat als alternativer Elektronenakzeptor fokussiert. Schlussendlich wurde die Eignung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie als Werkzeug für die in situ Überwachung der Funktionalität des Biosensors untersucht. Hierfür wurden elektrochemische Impedanzmessungen an metabolisch aktiven Rezeptoren unter Verwendung verschiedener Acetatkonzentrationen durchgeführt.

Die Charakterisierung des Biosensors ergab einen Messbereich von 0,5–5 mmol L-1 Acetat sowie eine Messauflösung von 0,25–1 mmol L-1. Bei Anwendung des Biosensors im Biogasprozess, muss die obere Messgrenze von 5 mmol L-1 Acetat auf mindestens 20 mmol L-1 angehoben werden. Dies kann unter anderem durch die Verwendung einer Membran als zusätzliche Diffusionsbarriere erreicht werden. Der Funktionsnachweis im Biogasprozess konnte eine eindeutige Korrelation zwischen Sensorstrom und Acetatkonzentration belegen. Allerdings wurde während der Untersuchungen auch eine Hemmung des Sensors bzw. des mikrobiellen Rezeptors innerhalb eines Zeitraums von 1–8 Tagen festgestellt. Die Untersuchung möglicher Störstoffe zeigt eine Toleranz der Biofilme gegenüber hohen Salzkonzentration von (13,5 g L-1) sowie einer Ammoniumkonzentration von bis zu 3 g L-1 NH4+, einem typischen Wert für Biogasreaktoren.

Ausgehend vom derzeitigen Erkenntnisstand erscheint die Anwendung des Biosensors zur Überwachung des Biogasprozesses oder anderer Prozesse bei denen Acetat eine Rolle spielt, grundsätzlich möglich. Um das Sensorkonzept zu einem marktreifen Produkt weiter zu entwickeln, müssen noch weitere Maßnahmen zur Vergrößerung des Messbereichs und zur Stabilisierung sowie Überwachung des biologischen Rezeptors getestet und umgesetzt werden.

 

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Dr. Elena H. Angelova

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