Stabilisierung der Milchsäurefermentation von fäzeshaltigen Substraten
Projektdurchführung
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ
Umwelt- und Biotechnologisches Zentrum
AG Bioprozesstechnik
Permoserstr. 15
04318 Leipzig
Zielsetzung
Ziel des Projekts war die Entwicklung und Erprobung eines biologischen Verfahrens zur Stabilisierung von Fäzes aus Trockentrenntoiletten. Durch die Nutzung der Milchsäurefermentation (LAF) sollte eine Stabilisierung und Hygienisierung der Fäzes ermöglicht werden, um die spätere stoffliche Nutzung (z. B. als Dünger) vorzubereiten.
Arbeitsschritte
Das Vorhaben gliederte sich in folgende Hauptarbeitsbereiche:
(1) Gewinnung von Milchsäurebakterien als Starterkulturen für die LAF: Es wurden Methoden zur Anzucht von Starterkulturen aus einem regional verfügbaren Substrat (Maniok) entwickelt. Die Kulturen wurden auf Pflanzenkohle immobilisiert, und im Anschluss deren Eignung für die LAF menschlicher Fäzes im Labormaßstab untersucht.
(2) Verfahrenstechnische Untersuchungen im Labor: In systematischen Versuchsreihen wurde der Einfluss zentraler Prozessparameter (Kohlenstoffquellen und -konzentrationen, Temperatur, Lagerungsdauer der Fäzes, Sauerstoffeinfluss, Zusatz von Hilfsstoffen) auf Fermentationsverlauf, pH-Absenkung, Milchsäurebildung und E.coli-Reduktion untersucht. Hierbei kamen standardisierte Fermentationsgefäße und verschiedene analytische Verfahren (u.a. HPLC, mikrobiologische Tests) zum Einsatz.
(3) Pilotversuche in Sierra Leone: In Kooperation mit dem Mathen Technical College (MATEC) wurde die Machbarkeit der LAF unter realen Bedingungen geprüft. Dabei kamen lokale Substrate wie Maniok, Zuckerrohrsaft, Pressrückstände und Melasse zum Einsatz. Der Prozessverlauf wurde über regelmäßige pH-Messungen überwacht, ergänzt durch punktuelle mikrobiologische Analysen.
(4) Untersuchung der Reduktion pharmazeutischer Rückstände während der LAF: Durchführung von Batch-Fermentationen im Labormaßstab über 21 Tage mit Dotierung zwölf ausgewählter Pharmazeutika und zwei Tracern. Extraktion der Stoffgruppen mittels Liquid-Solid-Extraction und Bestimmung mittels LC-MS/MS.
Ergebnisse
Die Laborversuche zeigten, dass die LAF bei geeigneter Prozessführung eine rasche und stabile Absenkung des pH-Wertes auf 4,5–5,0 bewirkt. Diese führt zur Eliminierung von E. coli und zur deutlichen Geruchsveränderung. Entscheidend hierfür war die Zugabe leicht fermentierbarer Kohlenhydrate in ausreichender Menge. Neben klassischen Zuckerquellen (v.a. Zuckerrübenmelasse) erwiesen sich auch Mango, Maniokmehl, Weizenkleie und Melasseschnitzel als geeignet. Der Prozess zeigte sich zudem robust gegenüber unterschiedlichen Ausgangsmaterialien und Fäzesproben, auch wenn deren Pufferkapazität (z. B. durch Urin- oder Sägespäneanteile) den erreichten End-pH-Wert beeinflusste. Temperaturen zwischen 20 und 30 °C waren für einen zügigen Fermentationsverlauf optimal, während niedrige Temperaturen (8 °C) zu einer erheblichen Verlangsamung führten. Eine Anzucht von Starterkulturen für die LAF ist grundsätzlich praktikabel und gelingt mit einfachen Mitteln. Eine darauffolgende Immobilisierung auf Pflanzenkohle ist technisch unkompliziert. Allerdings hat sich gezeigt, dass die LAF auch ohne Starterkultur stabil läuft, was die Herstellung von Starterkulturen überflüssig macht und eine praktische Anwendung des LAF-Verfahrens weiter vereinfacht.
Die Pilotversuche in Sierra Leone bestätigten die prinzipielle Machbarkeit, zeigten aber auch Optimierungsbedarf bei Substratwahl und Dosierung. Während Cassava (Maniok) eine deutliche, jedoch nicht stabile pH-Absenkung bewirkte, erwiesen sich Zuckerrohrsaft und -fasern als ungeeignet. Bei Zuckerrohr- und Zuckerrübenmelasse trat zwar eine pH-Absenkung ein, jedoch keine dauerhafte Stabilisierung. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die Übertragung der Laborergebnisse ins Feld weitere Anpassungen erfordert, insbesondere hinsichtlich der Substratmengen und der Prozessführung unter tropischen Bedingungen.
Weiterhin zeigt die Studie erstmals, dass die LAF zur Eliminierung bestimmter pharmazeutischen Wirkstoffe, z.B. Tetracyclin, Clarithromyzin und Ciprofloxacin (um bis zu 80 % in 21 Tagen) führt. Persistente Stoffe wie Carbamazepin oder Valsartan werden dagegen kaum oder gar nicht abgebaut. Der Abbau hängt stark vom pharmazeutischen Wirkstoff, der Fermentationsintensität (pH-Abfall, Milchsäurebildung) und der Fäzesmatrix ab.
Öffentlichkeitsarbeit
Die Projektergebnisse wurden innerhalb dieses wissenschaftlichen Berichts aufbereitet und in der Kooperation mit Partnern in Deutschland und Sierra Leone kommuniziert. Zudem wurden lokale Beteiligte am MATEC in die Pilotversuche eingebunden, um Wissenstransfer und Akzeptanz vor Ort zu fördern. Weiterhin erfolgt eine Veröffentlichung ausgewählter Ergebnisse in der einschlägigen Fachliteratur (peer-review).
UFZ-WebseiteFazit
Die LAF ist ein vielversprechender Ansatz zur dezentralen Sanitärversorgung. Sie ermöglicht eine einfache, robuste Hygienisierung von Fäzes aus Trockentrenntoiletten und kann mit lokal verfügbaren Materialien umgesetzt werden. Für die Etablierung in der Praxis sind weitere Arbeiten nötig, insbesondere die Weiterbehandlung fermentierter Fäzes zu verwertbaren Produkten, die Entwicklung eines Betriebsführungskonzeptes sowie die Erweiterung des Hygienenachweises auf resistente Pathogene. Zudem sollte die substrat- und standortabhängige Prozessführung gezielt untersucht werden, um eine praxisgerechte Anwendung sicherzustellen.