bioSpectre

Bioelektrochemische Systeme

Bioelektrochemische Systeme bieten die Möglichkeit der Echtzeit-Bioindikation von kosten-, zeit- und personal-intensiven Kohlenstoff- (CSB, BSB5, etc.) und Stickstoffverbindungen (Nges, NH4-N, etc.) in diversen Abwasserströmen. Ein neuartiges Design macht diese Biotechnologie wirtschaftlich, wartungsarm, langzeitstabil und stellt eine zuverlässige Ermittlung von Abwasserqualitätsparametern sicher.

Mikrobielle Brennstoffzellen

MMikrobielle Brennstoffzellen (MBZs), Archetyp von bioelektrochemischen Systemen, stellen eine innovative Biotechnologie dar, mit deren Hilfe die im Abwasser enthaltene chemische Energie (1,5-3,5 kWh m-3) unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Hauptakteure sind eine einzigartige Gruppe von anaeroben Mikroorganismen, die sogenannten elektrochemisch aktiven Bakterien. Der Prozess der Bioenergieproduktion wird am biologisch aktiven Biofilm der Anode initiiert, wo diese spezielle Bakteriengruppe organische Verbindungen zu Kohlenstoffdioxid (CO2), Protonen (H+) und Elektronen (e-) oxidieren. Anschließend werden die freigesetzten Elektronen über intra- und extrazelluläre Transportmechanismen an die Anode übertragen (terminaler Elektronenakzeptor). Getrieben von einem Potentialgradienten wandern die Elektronen spontan über einen externen Stromkreis zur Kathode, wo sie zusammen mit Protonen und Sauerstoff (O2) zu Wasser reduziert werden.

Herausforderungen

Der Einsatzbereich der mikrobiellen Brennstoffzellentechnologie erstreckt sich von der Bioenergieproduktion über die Abwasserreinigung und Bio-Elektrosynthese bis hin zur Verwendung als Bioindikationstool für Kohlenstoff- (CSB, BSB5, etc.) und Stickstoffverbindungen (Nges, NH4-N, etc.). Angewandt als Bioindikationstool wird die biologische Systemantwort, ausgelöst durch Änderungen der Abwassermatrix, üblicherweise in ein messbares Signal (elektrischer Strom oder Leistung) konvertiert und mit dem CSB und/oder BSB5 korreliert. [Theoretisch gilt: 1 mA=7,12 mgCSB d-1(elektrische CSB)]. Hierbei werden allerdings performancerelevante Signalinterferenzen (Umweltfaktoren, Leitfähigkeit, pH, Temperatur, Scaling, etc.) außer Acht gelassen, die unmittelbaren Einfluss auf die Bioenergieproduktion haben. Als Folge kommt es zu Messungenauigkeiten, abnehmender Sensitivität und Fehlmeldungen. Darüber hinaus ist eine einfache lineare Regression häufig nicht ausreichend, um die komplexen nicht-linearen Zusammenhänge zwischen MBZ-spezifischen Parametern und den Abwasserqualitätsparameter akkurat abzubilden. Generell stellen der komplexe Aufbau, die hohen Kosten der Elektrodenmaterialen und Ionenaustauschmembranen sowie die geringe Langzeitstabilität weitere Herausforderungen dar, die die Kommerzialisierung dieser Systeme, bis dato, begrenzt.

Projekt bioSpectre

Im Rahmen des Förderwettbewerbes Grüne Gründungen.NRW hat sich das Projekt „bioSpectre - Mikrobielle Brennstoffzelle zur Messung von Zulauffrachten von Kläranlagen“ zum Ziel gesetzt schwer zu messende, unzugängliche oder nicht online-verfügbare Abwasserqualitätsparameter (CSB, BSB5, etc.) nahe Echtzeit zu ermitteln. bioSpectre fusioniert in einzigartiger Art und Weise die mikrobielle Brennstoffzellentechnologie (Biosensorik) mit mathematischen und datengetriebenen Modellen (Softsensorik). Diese innovative Kombination aus robuster, wartungsarmer „Low-Cost“ Biosensorik und Softsensorik bietet Kläranlagenbetreibern durch verbessertes Abwassermonitoring proaktive Handlungsoptionen, um den künftigen Ansprüchen an die Abwasserreinigung (siehe Verabschiedung zur Novellierung der seit 1991 geltenden Richtlinie über die Behandlung von kommunalem Abwasser vom 10. April 2024) zu begegnen. Die integrierte Datenauswertung und -analyse ermöglicht den Einsatz des bioSpectre-Sensors auch ohne langwierige Schulungen oder komplexe IT-Integrationen. Dementsprechend wird diese Innovation auch für kleinere Kläranlagen und deren Betreiber zugänglich.

Gefördert durch:

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