Projekt 08993/01

Förderschwerpunkt Bioabfallverwertung: Einsatz des Chemosensorsystems QMB 6 zur kontinuierlichen Überwachung von Geruchsemissionen bei Anlagen zur Bioabfallverwertung

Projektträger

HKR Sensorsysteme GmbH
Frauenstr. 22
80469 München
Telefon: 089/242416-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Geruchsemissionen, die im Rahmen der Bioabfall-Verwertung über mikrobiologischen Abbau organischer Materialien freigesetzt werden, stellen ein erhebliches Belästigungspotential dar. Ziel dieses Vorhabens ist es, mit Hilfe einer einfachen Analytik diese Emissionen qualitativ und quantitativ nachzuweisen. Dabei soll keine zeitaufwendige Einzelkomponenten-Analyse erfolgen, sondern die komplexen Geruchsmuster in Form von Signalmustern beschrieben werden, die mit Hilfe von Sensorarrays erfasst werden. Mit Hilfe von begleitenden analytischen Untersuchungen soll der Dampfraum, mit dem die Sensoren beaufschlagt werden, näher untersucht werden. Für die Hauptkomponenten in diesem Dampfraum werden dann spezi-fische gassensitive Beschichtungsmaterialien entwickelt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenMit Hilfe von begleitenden analytischen Untersuchungen wurde zunächst der Dampfraum, mit dem die Sensoren beaufschlagt werden, näher untersucht werden. Für die Hauptkomponenten in diesem Dampfraum wurden dann spezifische gassensitive Beschichtungsmaterialien entwickelt. Zur Herstellung geeigneter chemischer Schichten hoher Selektivität für die Erfassung geruchsintensiver Emissionen wurde die Strategie der molekularen Hohlräume, bzw. des molekularen Prägens herangezogen. Nach Literaturrecherchen und Abklärung der chemischen Zusammensetzung dieser Stoffe mit instrumentellen analytischen Methoden wurden mit Computer-Simulation geeignete Hohlräume ausgewählt. Ausschlaggebend für diese Auswahl waren Größe und der Gestalt der Analytmoleküle, so dass Wirt und Gast optimal ineinander passen. So konnten etwa Gast-Hohlräume durch voluminöse Substituenten so verzerrt werden, dass eine effektive Wechselwirkung stattfand. Weiterhin lassen sich sowohl bei vorgefertigten Hohlräumen als auch beim molekularen Prägen bei geruchsintensiven Stoffen, wie gewissen Karbonsäuren, Aminen oder organischen Sulfiden Interaktionszentren schaffen, so dass zusätzlich zu hydrophoben auch polare Wechselwirkungen eingeführt werden.
Mit diesen Beschichtungen wurden Sensorarrays auf Schwingquarzbasis hergestellt, die eine selektive Erfassung von Geruchsemissionen ermöglichen. Diese Sensoren wurden in das bestehende Sensorsystem QMB 6 eingebaut und mit realen Proben beaufschlagt. Damit wurden Methoden zur Erfassung von Emissionen aus Anlagen zur Bioabfallbehandlung erarbeitet.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen dieser Untersuchungen wurde ein Sensorarray zur Charakterisierung der Abluft von Kompostierungsprozessen entwickelt. Dazu wurde die Methode des Molekularen Prägens in Kombination mit massensensitiven Schwingquarzen zur Anwendung gebracht. Diese Technologie erlaubt die on-chip Herstellung von robusten Sensorschichten. Es wurden für Schlüsselanalyte, die bei der Kompostierung entstehen, sensitive Schichten entwickelt und ihre Selektivität gegenüber diesen Schlüsselanalyten optimiert. Für die Messung eines Analytgemisches wurde ein Sensorarray eingesetzt, das mit den optimierten Polymeren beschichtet war. Dieses Array wurde mit verschiedenen Analytmischungen begast und damit ein Datensatz mit vielen hundert Datenpunkten erzeugt. Mit diesem Datensatz wurde ein Neuronales Netz trainiert und validiert und so die Voraussetzung für die gleichzeitige Messung von mehreren gleichzeitig auftretenden Analyten geschaffen.
Langzeitmessungen zeigten, dass die mit den optimierten Polymeren beschichteten Schwingquarzsensoren nach einer kurzen Konditionierungsphase von wenigen Tagen keine nennenswerten Signalschwan-kungen und Signaldriften zeigen und somit für kommerzielle Anwendungen geeignet sind. Bei feuchter Atmosphäre wird bei einigen Beschichtungen eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber dem jeweiligen Schlüsselanalyten festgestellt. Offensichtlich erleichtert das Wasser in der Umgebungsluft die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Analytmolekülen und den freien phenolischen OH-Gruppen im Material. Somit verbessert sich auch die Nachweisqualität unter den Bedingungen im Gasraum über der Rotte.
Für die Detektion von Thiolen wurden mehrere Lösungswege beschritten. Neben der Verwendung von Metallzentren (Gold, Bronzepulver, Molybdändisulfid) erwiesen sich vor allem langkettige Aldehyde als aussichtsreiche Beschichtungen, die neben einer erhöhten Empfindlichkeit vor allem eine gute Reversibilität der Reaktion zeigten. Aldehyde sind also für die Detektion schwefelhältiger Verbindungen ein geeignetes Mittel, die weitere Entwicklung wird in Richtung der Synthese von Polymeren mit kovalent ange-bundenen Aldehydfunktionalitäten führen.
Im weiteren Verlauf des Projekts wurde ein Komposter mit biologischem Füllgut versehen und die Emissionen über einen Zeitraum von 11 Tagen mit einem Sechselektrodenarray aus QMB-Sensoren aufgenommen. Während der Kompostierung wurde die Temperatur des Sensorkopfes geregelt, um die Funktionsfähigkeit des Systems unabhängig von kondensierendem Wasser zu testen. Dabei wurde festgestellt, dass die getesteten Sensorarrays für die Beobachtung von Rottevorgängen hoch geeignet sind und sich beim realen Einsatz zum Monitoring im Komposter bewähren konnten. Man sieht eine deutliche Korrelation der Sensordaten mit GC-MS-Daten. Das Sensorarray stellt also ein im hohen Maße geeignetes Werkzeug zur Kontrolle von Rottevorgängen dar. In einer zweiten Testreihe wurde der Komposter mit ei-ner größeren Menge an Häckselgut aus Nadelhölzern beschickt, aus denen nicht nur Limonen freigesetzt wird, sondern auch eine Vielzahl anderer Terpene, wie beispielsweise Pinen, Caren, Terpinen und ande-re sterisch ähnliche Kohlenwasserstoffe. Dabei wurde beobachtet, dass der Limonensensor beim Vorliegen ähnlicher Analyte ein Summensignal bildet, was die Empfindlichkeit des Sensorsystems steigert.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes werden voraussichtlich auf der Sensors 2003 in Nürnberg präsentiert.


Fazit

Ein wesentliches Risiko dieses Entwicklungsprojekts bestand in der Miniaturisierung der Komponenten bezüglich Baugröße, Gewicht und Leistungsbedarf. Dieses Entwicklungsrisiko konnte im Berichtszeitraum abgebaut werden, da alle wichtigen Komponenten des Gesamtsystems mit ihren Zielspezifikationen realisiert werden konnten.
Die Fokussierung auf wichtige Schlüsselanalyten erwies sich als zielführend. Messungen an mit biologischem Füllgut versehenen Kompostern zeigten den zu erwartenden Verlauf an Analytkonzentrationen und bestätigten die in der Literatur beschriebenen Vorgänge während des Rotteprozesses. Damit wurde die Eignung des Systems für diese Aufgabenstellung eindeutig unter Beweis gestellt.Gegenstand derzeitiger Forschungsaktivitäten ist die weiterführende Analyse aller durchgeführten Kom-postierungsvorgänge und die dazu gehörende Korrelation der Sensordaten mit den Messwerten aus GC-MS. Gleichzeitig wird die Entwicklung von Schichten zur Thioldetektion weitergeführt.

Übersicht

Fördersumme

183.656,04 €

Förderzeitraum

01.02.2000 - 30.09.2002

Bundesland

Bayern

Schlagwörter

Ressourcenschonung
Umwelttechnik