Projekt 12812/01

Entwicklung eines Analysegerätes mit integrierten Biosensoren für die kontinuierliche Überwachung von Klärwerksprozessen

Projektträger

Ruhr-Universität BochumFakultät für ChemieLehrstuhl für Analytische Chemie
Universitätsstr. 150
44801 Bochum
Telefon: 0234/32-26200/26202

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Bestimmung von Leitparametern in Echtzeit kommt eine erhebliche Bedeutung für die Kontrolle und Regelung der komplexen Prozesse in industriellen Kläranlagen zu. Auch die Stärkung des prozessintegrierten Um-weltschutzes verlangt eine Überwachung industrieller Prozesse, um optimale Verweilzeiten und die Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte zu vereinen. Diese Philosophie wird zukünftig von eminenter Bedeutung im Bereich der Reinigung kommunaler und industrieller Abwässer werden, da aufgrund der schwierigen Finanzsituation der Kommunen ein Aus- und/oder Neubau von Kläranlagen zunehmend Probleme aufwirft. Um eine gleich-bleibend hohe Qualität des geklärten Wassers zu erreichen erscheint es daher sinnvoll, die vorhandenen Kapazitäten durch Optimierung der Prozesskontrolle zu nutzen.
Ziel dieses Projektes war die Entwicklung eines Analysengerätes zur Bestimmung von wichtigen Parametern in Klärwerksprozessen. Das Gerät sollte aufgrund der ermittelten Messergebnisse eine rückgekoppelte Regelung von Prozessparametern wie Belüftung, Zulaufmenge und Verweilzeit ermöglichen, und damit einen wichtigen Beitrag zum ökonomischen Betrieb von Kläranlagen leisten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZum Erreichen des Projektziels wurden verschiedene Einzelschritte definiert, die von den Partnern durchgeführt und miteinander abgestimmt wurden. Ein Teil Bestand in der Anpassung eines bestehenden Liquid-Handling Systems an die Gegebenheiten des Klärwerksprozesses. Durch Anpassung der Software sollte das System zunächst so modifiziert werden, dass die derzeit in der Klärwerksüberwachung zum Einsatz kommenden photometrischen Verfahren automatisiert durchgeführt werden können.
Ein zweites Teilprojekt sieht die Entwicklung von Sensoren für NO2-, NO3- und NH4+ vor. Diese Sensoren werden an die Fluidik des Analysesystems als auch an die speziellen Anforderungen der Proben aus dem Klär-werksprozess angepasst.
Die Bereitstellung von Schlüsselenzymen für die zu entwickelnden Biosensoren war ein drittes Teilvorhaben. Die Aktivität biologischer Selektivitätselemente sowie die Bereitstellung der Enzyme ist von grundsätzlicher Bedeutung für die erfolgreiche Entwicklung von Biosensoren, jedoch auch für eine verlässliche Verfügbarkeit zur Sensorproduktion.
Ein weiteres Teilvorhaben umfasste die Entwicklung neuer Algorithmen zur Klärwerkssteuerung und deren Integration in die Analysatorsoftware.
Die während der Projektlaufzeit erhaltenen Ergebnisse sollten in einen Prototyp einfließen, der im Versuchsmessstand des LSU getestet werden könnte.


Ergebnisse und Diskussion

Das im Rahmen dieses Projektes eingesetzte und weiterentwickelte Online-Analysensystem OLGA basiert auf der Methode der sequentiellen Injektionsanalyse. Wichtige Vorteile des aus der Bioprozesskontrolle stammenden Analysators sind ein signifikant verringerter Aufwand für die Probenfiltration und der Verzicht auf wartungsintensive Peristaltikpumpen. Durch die freie Wählbarkeit des Injektionsvolumen kann ein Analysenzyklus an die Probekonzentration und die spezifische Sensoraktivität angepasst werden. Zunächst wurde das Analysengerät für die automatisierte Durchführung von genormten photometrischen Verfahren erweitert. In Laborversuchen an Standard- und Realproben wurde die Eignung des Systems für den photometrischen Nachweis von Phosphat und Ammonium gezeigt.
Im weiteren Verlauf des Projektes wurden planar strukturierte amperometrische Chemo- und Enzymsensoren zum Nachweis von Nitrat, Nitrit, Ammonium und Phosphat als Funktionsmuster hergestellt, betreffs ausgewählter Parameter optimiert und auf ihre Funktionseigenschaften untersucht. In Labormessungen von Ammonium in Realproben konnte gezeigt werden, dass amperometrische Messungen im sequentiellen Injektionssystem bei einem Probevolumen von nur 20 µl eine gute Korrelation zu Standardküvettentests aufweisen. Die als Grundlage der Sensorstrukturierung zur Anwendung kommende polymere Dickschichttechnik gestattet dabei zum einen die reproduzierbare Herstellung der anvisierten Sensoren, zum anderen ist prinzipiell auch die Massenherstellung zu einem günstigen Preis möglich.
Die rückgekoppelte Regelung komplexer Prozesse erfordert Expertenwissen, das in entsprechende Modelle und Regelungsalgorithmen einfließt. Aufbauend auf den bereits vorhandenen Hard- und Softwareentwicklungen des Analysators wurden entsprechende Regelalgorithmen entwickelt und in Kooperation mit den Partnern in die Steuersoftware integriert. Die Untersuchung komplexerer Regelalgorithmen, welche die simultane Verfügbarkeit der aktuellen Konzentrationswerte mehrerer Leitparameter in optimaler Weise nutzen, erfolgte noch separat, da lediglich für das spezifische Mess- und Regelproblem benötigte Module in die Analysatorsoftware integriert werden.
Für Messungen mit amperometrischen Sensoren wurde ein spritzwassergeschützter Prototyp des Analysators konstruiert, der mit einem integrierten Rechner direkt am Klärbecken einsetzbar sein sollte. Messungen in der Versuchsanlage des LSU zeigten, dass bis zur Anwendbarkeit des Analysensystems unter realen Feldbedingungen noch weitere Entwicklungen notwendig werden. So ist zum Beispiel das Auswerteprogramm des Online-Analysengerätes gegenwärtig noch auf wissenschaftliche Untersuchungen während der Entwicklungsphase des Gerätes ausgerichtet. Für die spätere Praxiseinführung ist es notwendig, auch ungeschulten Kräften den einfachen Umgang zu ermöglichen. Anregungen aus den Versuchsmessungen flossen in die Konstruktion der Prototypen ein, wie etwa eine Leitfähigkeitskontrolle, die Messfehler durch Luftblasen weitestgehend verhindert und eine Warnung bei leeren Reagenzbehältern erlaubt.
Für den Online-Einsatz der getesteten Gerätekombination ist die Filterstandzeit von großer Bedeutung. Es konnte gezeigt werden, dass sich die eingesetzte Querstromfiltration prinzipiell sehr gut für die Anwendung in der Klärwerksanalytik eignet. Weitere Optimierungen bezüglich der Gestaltung der Fluidik innerhalb des Filtrationsmoduls und der Größe der Filterfläche werden die Standzeit der Filtrationstechnik verlängern.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

1. C. Kurzawa, W. Schuhmann, L. Wang, H. Orth, I. Schwendtke, H. Gerberding, H. Stadler, B. Gründig, GIT Labor-Fachzeitschrift 45 (2001) 156-160. Kontinuierliche Bestimmung von Ammoniumionen in Klärwerksprozessen mittels sequentieller Injektionsanalyse.
2. C. Kurzawa, A. Hengstenberg, W. Schuhmann, in Technische Systeme für Biotechnologie und Umwelt - Biosensorik und Zellkulturtechnik (D. Beckmann, M. Meister, S. Heiden, R. Erb, eds.) Initiativen zum Umweltschutz, Bd. 41, E. Schmidt Verlag, Berlin, 2002, ISBN 3 503 06645 4. Immobilisierung von Enzymen durch elektrochemisch induzierte Abscheidung von Polymeren. S. 131 - 135.


Fazit

Das durch die DBU geförderte Verbundprojekt hat in höchst erfolgreicher Weise die Expertise der involvierten Partner vereint und die Anpassung und Weiterentwicklung eines sequentiellen Online-Analysensystems an die speziellen Bedingungen der Klärwerksanalytik ermöglicht. Die Nutzung des entwickelten Analysensystems erlaubt eine signifikante Erhöhung der Messfrequenz bei wesentlich geringeren Kosten und damit die Etablierung einer Echtzeit-Regelung des Klärwerks. Die im Rahmen des Projektes entwickelten Sensoren für die relevanten Parameter in der Klärwerksanalytik werden in naher Zukunft weiter verbessert und von der Fa. Senslab schließlich am Markt angeboten werden. Aus der Arbeitsgruppe ELAN der Ruhr-Universität Bochum wurde die Fa. Sensolytics ausgegründet, deren Geschäftsziel der Verkauf von an spezielle Messprobleme angepassten Online-Analysensysteme ist. Damit werden die im Rahmen des Verbundprojektes etablierten Ergebnisse weiter an die Gegebenheiten des Marktes angepasst werden.