Entwicklung eines Biorieselbettreaktors zur Reinigung von lösemittelhaltiger Prozessabluft

Zusammenfassung und Ausblick

Im Projekt wird ein bereits bestehender Biorieselbettreaktor, in dem VOCs der lackverarbeitenden Industrie abgebaut werden, wissenschaftlich begleitet, um vor allem die Schadstoffabbaurate erheblich zu verbessern. Nach Untersuchung und Optimierung der Fütterungsstrategie sowie der gewählten Mikroorganismen liegt im Weiteren ein besonderes Augenmerk auf dem Stoffübergang der Lösemittel aus der Gas- in die Flüssigphase. Zudem wird die sich zeitlich verändernde Biozönose durch genetische Identifizierung der angesiedelten Mikroorganismen erfasst.


In Farb- und Lackierkabinen mittelständischer Betriebe und der verarbeitenden Industrie fallen in beträchtlichen Mengen Abgase in Form von flüchtigen Kohlenwasserstoffen (VOCs volatile organic compounds) an, die bis vor kurzem mit der Abluft in die Umwelt entlassen wurden. Diese Abgase dürfen nun in Deutschland und Europa nach der 31. Bundes-Immissionsschutzverordnung und der TA Luft nicht mehr ungereinigt in die Umwelt gelangen und müssen somit einer Nachbehandlung unterzogen werden. Abbildung 1 gibt dazu mögliche und technisch anwendbare Abgasreinigungsoptionen wieder. Die klassische, konventionelle Abgasbehandlung von VOCs ist die Verbrennung. Eine thermische Behandlung erfordert allerdings den Einsatz fossiler Brennstoffe, wie etwa Flüssig- oder Erdgas, was einerseits die Betriebskosten erhöht und andererseits den ökologischen Nutzen der Verbrennung weitestgehend zunichtemacht, in erster Linie durch die mit der Verbrennung einhergehende Erzeugung klimaschädlicher Gase wie CO2.

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Abb.1: Möglichkeiten der Abgasreinigung durch Entfernung von flüchtigen organischen Kohlenwasserstoffen.

Alternativen, biologischen Schadstoffabbaupfaden gilt daher besonderes Interesse. Wie Abbildung 1 zu entnehmen, werden biologische Schadstoffabbautechnologien in drei Kategorien eingeteilt: Biofilter, Biowäscher und Biorieselbett, wobei Letzteres auch als Tropfkörperfilter bezeichnet wird und im Fokus des vorliegenden Forschungsvorhabens steht.

Biologische Abgasreinigungstechnologien bringen eine ganze Reihe von Vorteilen mit sich:
• kein wesentlicher Verbrauch von fossilen Energieträgern
• vergleichsweise niedrige Betriebs- und Wartungskosten
• thermisch nahezu verlustfrei, da die Reinigung bei Umgebungstemperatur erfolgt
• unbedenkliche Abbauprodukte in Form von CO2, Biomasse und H2O

Abbildung 2 zeigt in der linken Darstellung einen laufenden Biorieselbettreaktor der Fa. IDS Miesbach GmbH mit einem Arbeitsvolumen von 52 m³. Die Pfeile verdeutlichen den Weg des Lösemittel-haltigen Abgasstroms aus dem unmittelbar daneben befindlichen Lackierbetrieb durch den Reaktor bis zum Austritt in die Umwelt.

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Abb. 2: li. - Biorieselbettreaktor IDS Miesbach GmbH, der zylindrische Tank ist mit Lavagestein befüllt. Unter dem Reaktor befindet sich ein Behälter mit 1800 l Zirkulations-/Nährflüssigkeit. re. - Laborreaktor mit Lavagestein u. Umwälzpumpe

Schadstoffabbau

Bei biologischen Abbauprozessen können gasförmige Schadstoffe bezüglich des geschwindigkeitslimitierenden Faktors in zwei Kategorien eingeteilt werden:

Kategorie 1 umfasst Schadstoffe, deren Stofftransport beim Übergang aus der Gasphase (Abluft) in die Flüssigphase (Biofilm) langsam und damit limitierend ist. Leichtflüchtige oder hydrophobe Stoffe weisen hier beispielsweise niedrige Stofftransportraten auf. Kategorie 2 enthält Schadstoffe deren Verstoffwechselung im mikrobiellen Metabolismus langsam und damit limitierend erfolgt. Beispiele wären Alkohole, Ketone oder flüchtige Fettsäuren. Der Stoffübergang in Kategorie 1 ist grundlegende Voraussetzung für den biologischen Abbau in Kategorie 2. Um die Schadstoffabbaurate zu erhöhen werden daher im Projekt beide Bereiche näher untersucht.

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Abb. 3: Gelblicher Biofilm der sich nach einigen Wochen im Laborreaktor wie auch im Industriereaktor auf dem Füllmaterial (Lavagestein) bildete. Im Biofilm findet der Schadstoffabbau der flüchtigen organischen Kohlenwasserstoffe statt.
Abb. 4: Die Grenzen des mikrobiellen Schadstoffabbaus können zwei Bereichen zugeordnet werden. Im ersten spielen Stofftransportvorgänge eine limitierende Rolle und im zweiten die biologische Abbaukinetik.

Stoffübergang

Die meisten Produkte der lackverarbeitenden Industrie, wie gängige Grundierungen, Verdünnungen oder Lacke enthalten leichtflüchtige Lösemittel, die einen geringen Stoffübergang aus der Gasphase in eine wässrige Flüssigphase aufweisen. Somit wirkt dieser Mechanismus limitierend auf deren mikrobielle Abbaurate. Um die Stofftransportraten der Lösemittel zu untersuchen, die in der beteiligten Lackierfabrik zum Einsatz kommen, werden experimentelle Messungen des Stoffübergangs von der Gas- in die Flüssigphase durchgeführt. Abbildung 5 gibt den Aufbau der Versuchsapparatur wieder. Stickstoff bzw. Luft strömt mit einem definierten und konstanten Volumenstrom (0,2 bis 1,5 L/min) für mehrere Stunden durch eine Gasfritte in eine Gaswaschflasche, die mit 50 ml Lösemittel befüllt ist. Durch die starke Begasung wird die Verdunstung des Lösemittels begünstigt und ein lösemittelhaltiges Gas erzeugt, das anschließend durch eine 1-Liter-Glasflasche geleitet wird, in der sich wiederum 50 ml entmineralisiertes Wasser (bodenbedeckend) befinden. Das Lösemittel kann nun aus der Gas- in die wässrige Flüssigphase migrieren. Der Lösemittelgehalt der wässrigen Phase wird anschließend mittels Gaschromatographie quantitativ bestimmt und somit der Stoffübergang von der Gas- in die wässrige Flüssigphase ermittelt.

Der Vorgang des Stoffübergangs eines Lösemittels aus der flüssigen Phase in das durchströmende Gas in der Gaswaschflasche wurde bei zwei definierten Durchflussgeschwindigkeiten mit Stickstoff erfasst. Aus Abbildung 6 wird ersichtlich, dass bei konstantem Gasdurchfluss der zeitliche Lösemittelaustrag in der Gaswaschflasche nahezu linear erfolgt. Die Stoffübergangsrate (Flüssigphase - Gasphase) ist durch die Geradensteigung bestimmbar. Ebenso zeigt sich, dass die Stoffübergangsgeschwindigkeit des Lösemittels (hier n-Butylacetat) vom gewählten Gasvolumenstrom abhängt und somit beeinflusst werden kann. Der anschließende Lösemitteleintrag aus der Gasphase in die wässrige Flüssigphase in der Glasflasche (Abb. 5) wird quantitativ mittels Gaschromatographie bestimmt. Durch Variation des Gasvolumenstromes kann die Lösemittelkonzentration in der Gasphase, die anschließend in die Gasflasche strömt auf einen konstanten Wert für alle Lösemittel eingestellt werden.

Es zeigt sich bei den Experimenten, dass der Lösemitteleintrag aus der Gasphase in die Flüssigphase bei den beiden gewählten Gasvolumenströmen (0,2 und 1,8 L/min) beträchtlich ist. Der erwartete Einfluss des Rührens der Flüssigphase (in der Gasflasche) blieb bisher aus, ist aber bei niedrigeren Konzentrationen zu überprüfen. Im Weiteren wird nun untersucht, ob Lösemittel mit niedriger Henry Löslichkeitskonstante in Wasser grundsätzlich schlechter aus der Gasphase in die wässrige Flüssigphase übergehen.

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Abb. 5: Aufbau des Stoffübergangsexperiments. Der Stofftransport zwischen Gas- und Flüssigphase wird für ausgesuchte Lösemittel und Wasser quantitativ erfasst.
Abb. 6: Stoffübergang von n-Butylacetat in der Gaswaschflasche aus der flüssigen Phase (Lösemittel) in die Gasphase (Stickstoff).

Verstoffwechselung der Lösemittel durch Mikroorganismen

Um herauszufinden, ob die im laufenden, industriellen Biorieselbettreaktor (Abbildung 2) vorhandenen Mikroorganismen die einströmenden Schadstoffe verstoffwechseln können, wurden zunächst Proben aus der Zirkulationsflüssigkeit entnommen. Diese wurden durch mehrfaches Waschen mit Bushnell-Haas Medium (Kohlenstoff-frei) und Abzentrifugieren von Kohlenstoff-haltiger Lösung befreit und anschließend auf Bushnell-Haas Agar ausgestrichen. Als einzige Kohlenstoffquelle wurden den Mikroorganismen ausgewählte Lösemittel zur Verfügung gestellt und dazu in den Deckel der Glaspetrischale in verdünnter Form flüssig vorgelegt. Durch Übergang in die Gasphase können diese zu den Mikroorganismen gelangen. Abbildung 7 zeigt auszugsweise den daraus resultierenden Bewuchs der Kohlenstoff-freien Agarplatten mit Mikroorganismen nach einer Kultivierungsdauer von 3 Wochen. Negativkontrollen, bei denen Lösemittel ohne Beimpfung in der Petrischale vorgelegt wurde, zeigten keinerlei Bewuchs.

Die Platten zeigen zum einen, dass die dem Reaktor entnommenen Mikroorganismen die gewählten Lösemittel verstoffwechseln können und deutlich sichtbare Kolonien ausbilden. Zum anderen sind verschiedene Mikroorganismen zu erkennen, die sich sowohl strukturell als auch farblich in ihren Kolonien unterscheiden. Als Lösemittel und damit einzige C-Quelle wurde einerseits n-Butylacatat eingesetzt, das mengenmäßig am häufigsten verwendete Lösemittel im Lackierunternehmen. Andererseits kam PGMEA zum Einsatz, das sich von n-Butylacetat durch ein geringere Flüchtigkeit und eine deutlich höhere Wasserlöslichkeit unterscheidet. Um die Mikroorganismen zu identifizieren, wurde sowohl eine 16S-rRNA-Analyse als auch das Proteinspektrum mittels MALDI-TOF untersucht. Die Ergebnisse sind auszugsweise im Folgenden dargestellt.

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Abb. 7: Petrischalen in Zweifachbestimmung (1) und (2) mit Bushnell-Haas Agar, das keine verwertbare C-Quelle besitzt, um den Lösemittelabbau der zugegeben Mikroorganismen zu untersuchen.

Genetische Analyse

Aus einer der weißlich glänzenden Kolonien wurde aus der bewachsenen, mit PGMEA-versorgten Petrischale (Abbildung 7) eine Probe entnommen und auf einer Standard LB-Agarplatte kultiviert. Anschließend wurde von dieser aus einer einzelnen Kolonie die DNA extrahiert, mittels PCR amplifiziert und mit dem Primerpaar Pro341F/Pro805R (Ziel ist die V3-V4 Region des 16S-Gens) mittels Sangersequenzanalyse untersucht. Ein Datenbankabgleich (BLAST-Basic Local Alignment Search Tool) der erhaltenen 16S-rRNA Gensquenz ergab eine 99%ige Übereinkunft mit dem Genus Corynebacterium. Über 100 Unterarten dieses Bakteriums sind bekannt und viele dieser Arten sind in der Lage Lösemittel zu metabolisieren.

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Abb. 8: Agarplatte (LB-Medium) mit kultivierten Mikroorganismen aus dem Biorieselbettraktor mit zugehörigem Ergebnis der MALDI-TOF Analyse und Datenbankabgleich.

MALDI-TOF Analyse

Zusätzlich zur Gensequenzierung wurde die Identität der Mikroorganismen mit Hilfe der MALDI-TOF-Massenspektrometrie ermittelt. Dabei wird das Proteinmassenspektrum einer Probe erfasst und ein Datenbankabgleich durchgeführt. Es erfolgte wieder die Untersuchung einer einzelnen Kolonie auf einer Standard LB- Agarplatte (Abbildung 8 links) und deren MALDI-TOF Identifizierung. In Abbildung 8 sind alle Spezies aus der Bruker-Referenzdatenbank aufgeführt, deren Spektrum eine Übereinstimmung in Form des Rank Score (Matched Pattern Quality Value) der Probe besitzen. Je höher dabei der Rank Score Value, desto größer ist die Übereinstimmung des vorliegenden Proteinmassenspektrums mit dem Spektrum aus der gewählten Datenbank. Klar identifiziert wurde Klebsiella oxytoca, ein biofilmbildendes Stäbchenbakterium der Familie der Enterobacteriaceae, das je nach Nährstoffangebot, sowohl einen aeroben als auch einen anaeroben Katabolismus aufweist.


Projektleitung


Projektbearbeitung


Projektmitwirkung



M.Sc. Julian Eckert

Carina Inoue Bastos


Oscar Scharf

Nadja Schneller

Katharina Spitzauer

Projektdauer

01.09.2017 - 31.01.2020

Projektpartner

Projektträger

Projektförderung

Förderprogramm

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