Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Raman-basierte Methoden zur Biofilm-Charakterisierung für eine effiziente Abwasserreinigung mittels Mikrobieller Brennstoffzellen

Das Projektziel ist die Charakterisierung von Biofilmen mit Raman-basierter Analytik. Diese Biofilme sind für einen effektiven, langfristigen und stabilen Betrieb bei der Abwasserreinigung in mikrobiellen Brennstoffzellen von großer Bedeutung.

Die Konzeption eines neuen Zellen- und Anodendesigns, einschließlich der Integration eines Biofoulingsensors direkt an der Membran, schafft die Basis für die Entwicklung verschiedener Biofilme und deren Kontrolle. Durch die begleitende und anwendungsorientierte Raman-mikrospektroskopische und Kryo-REM-Analyse der Biofilme in Kombination mit anderen Techniken (z.B. MALDI-TOF-Biotyping) bzw. dem Einsatz von Microsensoren (pH, DO, CO2) wird es ermöglicht, umfassende Informationen über die Biofilmzusammensetzung, -struktur und -funktion zu erhalten. So lässt sich die Leistungsfähigkeit sowohl im Labor- als auch im halbtechnischen Maßstab unter Realbedingungen praxisnah überprüfen.

Die Entwicklung eines langfristig stabilen und effizienten Biofilms wird den CSB-Abbau und die Leistungsdichte in MBZs deutlich steigern, wodurch die Konkurrenzfähigkeit von MBZs erhöht wird. Der Einsatz des Biofoulingsensors an der Membran wird die Betriebsdauer der MBZ aufgrund gezielter Reinigungszyklen verlängern. Die Übertragbarkeit der POF-Sensortechnik und der gezielten Biofilmentwicklung/-analytik auf andere Systeme ermöglicht somit deren zeitnahen industriellen Einsatz.

Durch dieses Projekt wird ein alternatives, innovatives und ökonomisches Verfahren zur Abwasserreinigung geschaffen. Insbesondere für KMUs mit geringen Abwassermengen ist das System aufgrund der Vorteile bei der Reaktorauslegung mit hohem Interesse zu betrachten und kann zukünftig eine energieautarke Alternative zur Abwasserreinigung darstellen. Zudem ist die Anwendung der MBZ auch bei einzelnen Stoffströmen in produzierenden Betrieben in Erwägung zu ziehen.

Ergebniszusammenfassung:

Der langfristig stabile MBZ-Betrieb unter Realbedingungen am Beispiel von Brauereiabwasser ermöglicht Rückschlüsse zum verfahrenstechnischen Potential der MBZ-Technologie für die Aufbereitung von Industrieabwasser zu ziehen. Neben des stabilen Langzeitbetriebs (> 1,5 Jahre) wurden erstmals bei der Aufbereitung von Industrieabwasser verschiedene Designs und Verfahrensführungen (Batch/ Kontinuierlich) gegenübergestellt. Bereits durch die Entwicklung eines hochskalierbaren MBZ-Systems, sowie der Anpassung des Prozessmanagements konnten die Leistungsdichten und organischen Abbauraten deutlich gesteigert werden.

Die berechneten validen Kennzahlen zeigen eine sehr gute Aufbereitungseffizienz und offenbaren das Steigerungspotential in Bezug auf die Energieeffizienz. Dadurch konnte erstmals eine Einordnung gegenüber der konventionellen anaeroben als auch aeroben industriellen Abwasserbehandlung erfolgen. Dabei zeigten sich die Modularität, Kompaktheit und variable Anwendung auf verschiedene Abwasserzusammensetzungen der MBZ-Technologie als Vorteile gegenüber der anaeroben Behandlung. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Industriezweige (z.B.: Papierindustrie) und die Reduktion von stickstoffhaltigen Komponenten erweitern die Anwendungsmöglichkeiten der alternativen Verfahrenstechnik der MBZ. Zusammen mit der komplexen und kontinuierlichen Analytik unbekannter Biofilme konnte das Know-How über Biofilmcharakteristika gesteigert werden. Die Raman-Mikrospektroskopie ermöglichte die zerstörungsfreie in situ Analyse des Reifungs- bzw. Stoffwechselzustands anodischer Biofilme und die Korrelation zur Nährstoffzusammensetzung. Des Weiteren wurden chemische Komponenten, welche für den Elektronentransport und somit für die Stromproduktion verantwortlich sein können, und deren 3D Verteilung im Biofilm herausgearbeitet.

Der Transfer dieser gewonnenen Kompetenz auf andere Biofilm-Verfahren bietet ein breites Anwendungsspektrum auf andere mikrobielle Umweltproben.