Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Trotz der langen Geschichte der Kompostierung – z.B. in China seit Jahrtausenden durchgef\u00fchrt – bestehen noch immer einige Fragen bez\u00fcglich dieses mikrobiologischen\/biochemischen Prozesses. So ist z. B. das Problem der Geruchs- und Keimemissionen nicht zuletzt durch den \u00dcbergang vom Komposthaufen hinter dem Haus zu einer large-scale Biotechnologie entstanden. Auch die theoretische Behandlung des Prozesses ist noch keineswegs abgeschlossen, z. B. die Bilanzierung der Masse- und W\u00e4rmestr\u00f6me, die die Grundlage der Modellierung liefern k\u00f6nnten. – Dieses Vorhaben sollte hierzu einen Beitrag liefern, wobei der Kompostierungsproze\u00df unter definierten Bedingungen in Laboranlagen durchgef\u00fchrt wurde. Das Hauptinteresse galt der Bilanzierung des Prozesses sowie der Entwicklung der mikrobiellen Bioz\u00f6nose und deren Aktivit\u00e4t.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenF\u00fcr die Durchf\u00fchrung der Kompostierung im Laborma\u00dfstab wurden vier Anlagen unterschiedlicher Gr\u00f6\u00dfe und Betriebsweise konstruiert: (1) Vier parallelgeschaltete 4L-Dewargef\u00e4\u00dfe mit speziellen Umbauten f\u00fcr die Kompostierung unter spontaner Selbsterhitzung; (2) ein 10L temperierbarer Reaktor f\u00fcr isothermale oder adiabatische Betriebsweise; (3) ein 10L doppelwandiger Glaswandreaktor mit R\u00fchrwerk: Dieser erwies sich wegen Blockierung des R\u00fchrwerkes durch faseriges Material f\u00fcr diese Versuche ungeeignet; (4) ein 100L-Drehtrommelreaktor mit Schikanen in einer Klimakammer. – Die Charakterisierung des Rotteverlaufes und die Massebilanzierung erfolgte auf Grund folgender Kenndaten: Temperaturverlauf (registriert online), Bel\u00fcftungsst\u00e4rke (variierbar und f\u00fcr die Temperaturregulierung eingesetzt), abgebaute organische Substanz (= D Gl\u00fchverlust), Trockengewicht, C\/N-Verh\u00e4ltnis, z.T. Gasanalyse mittels BINOS-100 Analysator (O2-Aufnahme, CO2-Bildung, CH4-Nachweis). – Die mikrobiologische Untersuchung umfa\u00dfte die Ermittlung der mesophilen und thermophilen Bakterien, Actinomyceten und Pilze sowie die Abt\u00f6tung von Enterobakterien (E. coli als Indikator f\u00fcr hygienisch rele-vante Bakterien) im Verlauf der Kompostierung. Dabei wurden zum einen mittels Selektivmedien einzelne Keimgruppen bestimmt, zum anderen ausgew\u00e4hlte Isolate, insbesondere thermophile Bacillus-Arten und thermophile Actinomyceten, bis zur Spezies identifiziert. – Als biochemischer Parameter der Kompostierung wurde der Cellulose-Abbau untersucht. Dazu wurde die cellulolytische Aktivit\u00e4t in Bioabfall und Kompost bestimmt sowie ein Screening von 111 St\u00e4mmen thermophiler Actinomyceten (einschlie\u00dflich Thermoactinomyces) durchgef\u00fchrt.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Kompostierung im Laborma\u00dfstab hat sich als vorz\u00fcgliche Methode erwiesen, den Einflu\u00df einzelner Faktoren auf diesen Proze\u00df zu bestimmen. Ferner erlaubt sie, die Entwicklung einzelner Mikroorganismengruppen im Verlauf des Prozesses zu untersuchen, und schlie\u00dflich, eine Masse- und W\u00e4rmebilanzierung anhand einiger Analysedaten vorzunehmen. Als Erg\u00e4nzung zu Untersuchungen in der Praxis ist diese Methode nicht mehr wegzudenken (z. B. zur Untersuchung der Kompostierbarkeit umweltrelevanter Materialien). Selbst mit unserer vergleichsweise einfachen Ausr\u00fcstung konnten sinnvolle Versuche durchgef\u00fchrt und brauchbare Ergebnisse erhalten werden. (Inzwischen sind hochtechnisierte Anlagen zur Laborkompostierung mit \u00e4hnlicher Ausstattung wie Bioreaktoren zur Fl\u00fcssigfermentation kommerziell verf\u00fcgbar. – Die Masse-Bilanzierung der einzelnen Versuche wurde auf Grund der ermittelten Daten f\u00fcr Gl\u00fchverlust, Wassergehalt und Aschegehalt vor und nach der Kompostierung vorgenommen. Bei der Annahme der Reaktionsgleichung: 100g abgebaute organische Substanz + 80g O2 \u00de 110g CO2 + 45g H2O + 25g neue Biomasse wurde f\u00fcr jeden Versuch ein S\u00e4ulendiagramm erstellt, in dem die genannten Gr\u00f6\u00dfen im st\u00f6chiometrischen Verh\u00e4ltnis nach obiger Gleichung stehen. Diese Bilanzen wurden dann bez\u00fcglich der gew\u00e4hlten Versuchsbedingungen diskutiert. – Die W\u00e4rmebilanz ist weniger einfach zu erstellen, da der kalorische Wert der abgebauten Fraktion des Eingangsmaterials sowie des Produktes nicht bekannt war und die verschiedenen W\u00e4rmeverluste \u00fcber die Abluft (Abluft-Enthalpie minus Zuluft-Enthalpie), \u00fcber Konvektion, Konduktion und Strahlung mit der verf\u00fcgbaren Ausr\u00fcstung nicht erfa\u00dft werden konnten. Dennoch wurde in Anlehnung an Arbeiten von Bidlingmaier und Krogmann versucht, aus den Temperaturkurven die W\u00e4rmeproduktion in kJ\/(h * kg) zu berechnen. – Die Entwicklung der Mikroorganismen-Population entsprach den Temperaturphasen der Kompostierung: Im Ausgangsmaterial herrschen mesophile Keime vor, die w\u00e4hrend der ersten Phase bis 45\u00b0C eine starke Zunahme erfahren; dann treten sie gegen\u00fcber den thermophilen Mikroorganismen zur\u00fcck, mesophile Pilze verschwinden fast v\u00f6llig. In der folgenden Phase (45 und 65\u00b0C) treten thermophile Bakterien, insbesondere Bacillus-Arten, und thermophile Actinomyceten in den Vordergrund, anschlie\u00dfend kommt es erneut zu einer Verschiebung zugunsten einer mesophilen Population. – Bacillus-Arten sind insofern von Interesse, als die mesophilen Vertreter dieser Gattung die hohen Temperaturen der Hei\u00dfrotte in Form ihrer Sporen \u00fcberleben und bei Abk\u00fchlung wieder aktiv werden, w\u00e4hrend die thermophilen Vertreter in der Hei\u00dfrotte ihren H\u00f6hepunkt erreichen. – In hygienischer Hinsicht gibt es bei der Kompostierung zwei Probleme: Einerseits soll sie zu einer Abt\u00f6tung pathogener Keime f\u00fchren, andererseits kommt es zu einer nicht vermeidbaren Massenentwicklung thermophiler Pilze und Actinomyceten, von denen einige zu Infektionen (Aspergillus fumigatus) bzw. zu allergischen Lungenreaktionen (EAA) f\u00fchren. Die Abt\u00f6tung von Enterobakterien konnte auch bei der Laborkompostierung leicht erreicht werden; andererseits wurde eine Zunahme der EAA-Erreger Saccharopolyspora, Saccharomonospora und Thermoactinomyces um das tausendfache (und mehr) festgestellt. (Thermophile Pilze, zu denen A. fumigatus geh\u00f6rt, wurden von uns nicht untersucht.) – Der Abbau der Cellulose d\u00fcrfte im wesentlichen auf den diesbez\u00fcglichen Aktivit\u00e4ten der Pilz- und Actinomycetenpopulation beruhen, wobei die erste besonders im mesophilen Bereich (Anfang- und Reifephase), die letztere im thermophilen Bereich (zwischen 45 und 60\u00b0C) zum Tragen kommt. Von 111 thermophilen Actinomyceten erwiesen sich 48 in mindestens einem der vier Tests als positiv. (Substrates: Carboxymethyl-Cellulose, Avicel-Cellulose, Strohagar, Cellulase-Azur.) In allen F\u00e4llen besa\u00df allerdings nur ein Teil der St\u00e4mme einer Spezies eine Cellulose-Aktivit\u00e4t, z. B. 9 von 12 bei Thermomonospora fusca und 8 von 13 bei Thermoactinomyces vulgaris. Ferner trat diese Enzymaktivit\u00e4t besonders h\u00e4ufig bei den drei Spezies Saccharomonospora viridis, Streptomyces thermovulgaris und Streptomyces thermoviolaceus auf.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
(1) 5. Hohenheimer Seminar, Univ. Hohenheim, 1994. Forum St\u00e4dtehygiene 45, 375-385, 1994.
\n(2) Biotechnology – A Multi-Volume Treatise, Vol. 11a (in press), VCH-Weinheim, 1998.
\n(3) Zahlreiche Kurzvortr\u00e4ge bzw. Poster auf Veranstaltungen der DECHEMA, Vereinig. Allgem. Angew. Mikrobiologie und Intern. Symp. Biological Waste Management, Bochum, 1995.
\n(4) T. J\u00e4ger, Dissertation, Techn. Univ. Darmstadt, 1997.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die Kompostierung in Laboranlagen ist eine wichtige Methode zum Studium grundlegender Parameter dieses biotechnologischen Prozesses. Sie erlaubt die Erstellung von Masse- und Energiebilanzen sowie die Untersuchung der Mikrobiologie. Derartige Versuche sind zum tieferen Verst\u00e4ndnis der Vorg\u00e4nge bei der gro\u00dftechnischen Kompostierung unverzichtbar und verdienen weitere Anwendungen und Entwicklung<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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