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Biologische Behandlung von organischen Stoffströmen > Vorlesung 4 > Flashcards

Vorlesung 4 Flashcards

Grundlagen der biologischen Stoffumwandlung Teil 2

1
Q

Was ist der anaerobe Abbau?

A

Anaerobe, energieliefernde Prozesse, bei denen einem organischen Substrat (z.B. Glucose) Elektronen entzogen und auf einen organischen Akzeptor (NAD/NADP) übertragen werden

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2
Q

Auf was ist die ATP-Bildung beschränkt?

A

ATP-Bildung auf Substratkettenphosphorylierung beschränkt

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3
Q

Was fehlt beim anaeroben Abbau?

A
  • Atmungskette und Zitronensäurezyklus fehlen
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4
Q

Welche MO sind beim Gärstoffwechsel beteiligt?

A
  • fakultativ und obligat anaerobe MO
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5
Q

Welche ist die wichtigste energieliefernde Reaktion?

A

Glucosespaltung

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6
Q

Was passiert beim Gärstoffwechsel nach der Glucosespaltung?

A

Reduzierung des Zwischenprodukts Pyruvat direkt oder nach der Bildung weiterer Intermediärprodukte

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7
Q

Ist der Energiegewinn beim Gärstoffwechsel hoch oder gering? Warum?

A

Beim Gärstoffwechsel geringer Energiegewinn; Energieliefernde Reaktionen der Atmungskette können nicht durchlaufen werden

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8
Q

Was muss größer sein, damit eine adäquate Energiemenge erzeugt werden kann?

A

Substratumsatz von Anaerobiern muss bedeutend größer sein, um adäquate Energiemenge zu erzeugen.
Deswegen:
- Biomasseproduktion: anaerobe Systeme &laquo_space;aerobe Systeme

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9
Q

Wie läuft die Glucosereduktion im Gärstoffwechsel ab?

A

Katabolismus( Abbau unter Energiegewinn):
- Hexosen (große Moleküle)

Anabolismus (Aufbau unter Energieverbrauch)
- Monomere
- Polymere

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10
Q

Nenne Beispiele für Monomere (Bausteine).

A
  • Aminosäuren
  • Zucker
  • Nukleotide
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11
Q

Nenne Beispiele für Polymere (Makromoleküle).

A
  • Proteine
  • Polysaccharide
  • Polynucleotide
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12
Q

In welche Stufen kann der Abbau von Biomasse und Gasbildung unterteilt werden?

A
  1. Stufe:
    Extrazelluläre Aufspaltung der Makromoleküle
  2. Stufe:
    Vergärung der Bausteinmoleküle
  3. Stufe:
    Bildung Methanogener Verbindungen
  4. Stufe:
    Bildung von Biogas
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13
Q

Wie hoch darf maximal die verdaubare organsiche Trockenmasse (TM) in wässriger Suspension oder Lösung sein?

A

14 %

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14
Q

Was passiert in der 1. Stufe?

A
  1. Stufe = Hydrolyse
    - Zerlegung der Makromoleküle in niedermolekulare, gelöste Bestandteile durch Enzyme
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15
Q

Was passiert in der 2. Stufe?

A
  1. Stufe Vergärung/Versäuerung
    - Produkte aus der ersten Stufe werden aufgenommen und weiter abgebaut
    - Hauptteil der Abbauprodukte sind Acetat, Propionat, Butyrat, Milchsäure, Alkohol, CO2 und H2
    - die Konzentration des intermediär gebildeten H2 bestimm die Art der Gärprodukte
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16
Q

Was passiert in der 3. Stufe?

A
  1. Stufe Acetogenese
    - Die gebildeten organischen Säuren und Alkohole werden zu CH3COOH, H2 und Co2 umgewandelt
    - Die Acetogenese ist der thermodynamisch schwierigste Reaktionsschritt. Die Reaktionen können nur dann exotherm verlaufen, wenn der H2-Partialdruck sehr niedrig ist
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17
Q

Was passiert in der 4. Stufe?

A
  1. Stufe Methanbildung
    - Die obligat anaeroben Methanbildner setzen CH3COOH und das CO2 mit molekularem H zu CH4 um
    - Die Methanbildner sorgen somit für niedrige H-Partialdrücke. Es besteht eine enge Symbiose zwischen H-produzierenden und H-verbrauchenden Bakterien
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18
Q

Was ist in Stufe 1 und 2 die optimale Temperatur und der optimale pH-Wert?

A

T: ca. 30°C
pH: etwa 6

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19
Q

Was ist in Stufe 3 die optimale Temperatur und der optimale pH-Wert?

A

T: ca. 35 - 45°C
pH: etwa 7

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20
Q

Wie lautet die Reaktionsgleichung für die Ethanolbildung?

A

C6H12O6 + 2 ADP + 2P_i
->
2 C2H5OH + 2CO2 + 2ATP

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21
Q

Wie entsteht aus Glucose Milchsäure? (Milchsäurebildung/-gärung)

A

Glucose wird unter Zugabe von 2 NAD und Abgabe von 2 NADH2 zu 2 Pyruvat. Das reagiert mit Lactat-Dehydrogenase zu Milchsäure. (-138 kJ/mol)

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22
Q

Reduktionsäquivalente NAD(P)H + H+, die auf dem Wege von Hexosen (z.B. Glucose) zu Brentztraubensäure (Pyruvat) gebildet werden, können auf verschiedenen Wegen eingesetzt werden. Welche sind das?

A
  • Propionsäurewege (z.B. Propionsäurebakterien)
  • Buttersäureweg (z.B. Clostriden)
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23
Q

Welche Rolle spielen Fette beim Gärstoffwechsel?

A
  • quantitativ sehr bedeutender Abbau bei der Gärung
  • ebenso wie bei höheren Organismen: Prinzip der beta-Oxidation
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24
Q

Wie werden Fettsäureketten abgebaut?

A

Fettsäurekette wird schrittweise um C2-Einheiten verkürzt, die als Essigsäure freigesetzt werden (CH3COO- + H+)

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25
Q

Was sind Aminosäuren?

A
  • Grundbausteine der Proteine
  • Können zu Essigsäure, Ammoniak und Kohlenstoffdioxid abgebaut werden
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26
Q

In welche Produkte setzen Methanbakterien die vorläufigen Gärendprodukte um?

A

Methanbakterien setzen die vorläufigen Gärendprodukte in Essigsäure und Kohlendioxid um

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27
Q

Wobei entstehen über 70 % des Methans?

A

Über 70 % des Methans entstehen durch die Spaltung (Disproportionierung) von Essigsäure. Markierungsexperimente zeigen, dass Methan aus der Methylgruppe entsteht

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28
Q

Wie ist der pH-Bereich bei der Bildung saurer Zwischenprodukte?

A

Trotz Bildung saurer Zwischenprodukte -> günstiger pH-Bereich

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29
Q

In welchem pH-Bereich liegt die zugeführte Gärmasse?

A

Zufuhr neutraler bis schwach alkalischer Gärmasse

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30
Q

Welche Produkte werden nach der Gärung “entzogen”?

A

“Entzug” eines neutralen Produkts (Mehtan) und einer schwachen Säure (Kohlendioxid = “Kohlensäure”)

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31
Q

Welche Bedingungen hat ein Gleichgewichtszustand zugrunde?

A

Gleichgewichtszustand aller Abbaustufen, d.h. schwach alkalische Bedingungen im Faulraum

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32
Q

Was ist bei der CH4-Bildung aus CO2 und H2 thermodynamisch möglich?

A
  • 4 Moleküle ATP je gebildetes Molekül CH4
  • gemessen: nur 1 Molekül ATP -> extrem geringer Energiegewinn
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33
Q

Wie groß ist das Wachstum der Methanbakterien bei großem Substratumsatz?

A

Wachstum der Methanbakterien auch bei großem Substratumsatz sehr langsam

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34
Q

Welche Funktion hat das Enzym Methylcobalamin?

A

Übertragung der Methylgruppe bei der Methanbildung aus der Acetatspaltung

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35
Q

Welche Funktion hat das Co-Enzym M Mercaptoethansulfonsäure?

A

Transport der Methylgruppe bei der reduktiven Methanbildung aus CO2 und H2

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36
Q

Welche Funktion hat das Enzym Tetrahydrofolsäure (THF)?

A

Übertragung von C1 Fragmenten nicht vollständig geklärt

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37
Q

Welche Funktion hat das Enzym NADP?

A

Übertragung des H2 zur Reduzierung der Carboxylgruppe (Methanbaustein aus CO2 und H2)

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38
Q

Wie unterscheidet sich die Temperatur in der Hydrolyse/Versäuerung und der Methanbildung?

A

Hydrolyse/Versäuerung:
25-35°C

Methanbildung:
- mesophil: 32 - 42°C
- thermophil: 50 - 58°C

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39
Q

Wie unterscheidet sich der pH-Wert zwischen Hydrolyse/Versäuerung und Methanbildung?

A

Hydrolys/Versäuerung:
5,2 - 6,3

Methanbildung:
6,7 - 7,5

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40
Q

Wie unterscheidet sich das C:N-Verhältnis zwischen Hydrolyse/Versäuerung und Methanbildung?

A

Hydrolyse/Versäuerung:
10 - 45

Methanbildung:
20 - 30

41
Q

Wie unterscheidet sich das C:N:P:S-Verhältnis zwischen Hydrolyse/Versäuerung und Methanbildung?

A

Hydrolyse/Versäuerung:
500:15:5:3

Methanbildung:
600:15:5:3

42
Q

Wie unterscheiden sich der Feststoffgehalt zwischen Hydrolyse/Versäuerung und Methanbildung?

A

Hydrolyse/Versäuerung:
< 40 % TS

Methanbildung:
< 30 % TS

43
Q

Wie unterscheidet sich das Redox-Potential zwischen Hydrolyse/Versäuerung und Methanbildung?

A

Hydrolyse/Versäuerung:
+400 - -300mV

Methanbildung:
< -250 mV

44
Q

Wie unterscheiden sich die Spurenelemente zwischen Hydrolyse/Versäuerung und Methanbildung?

A

Hydrolyse/Versäuerung:
Keine essentiellen Ansprüche

Methanbildung:
Enssentiell: Ni, Co, Mo, Se

45
Q

Was ist die Temperatur?

A
  • Definition der Chemie: Reaktionsgeschwindigkeit = f(T)
  • Bereitstellung von Aktivierungsenergie durch T-Erhöhung, auf biochemsiche Prozesse nur bedingt übertragbar
46
Q

Was ist in biochemischen Prozessen Aufgabe der Enzyme?

A

Herabsetzen der Aktivierungsenergie für bestimmte Substratreaktionen

47
Q

Welche Temperatur herrscht im Bioreaktor?

A

Im Bioreaktor meist 36-55°C

48
Q

Wo liegt das Temperatur-Maximum der meisten Proteine?

A

Temperatur Maximum der meisten Proteine bei 40 - 50 °C

49
Q

Wovon ist die Beständigkeit abhängig?

A

Beständigkeit = f(H2O-Gehalt), Folge: niedriger H2O-Gehalt + hohe Temperatur = geringe Stabilität

50
Q

Wo liegt die optimale Temperatur für versäurende MO?

A

30 °C

51
Q

Wo liegt die optimale Temperatur für Methanisierung?

A

35 - 37 °C

52
Q

In welchem Bereich liegt der optimale pH-Wert für hydrolysierende, versäurende Bakterien?

A

5,2 - 5,5

53
Q

In welchem Bereicht liegt der optimale pH-Wert für methanogene Bakterien?

A

6,8 - 7,2

54
Q

Wozu führt eine zu starke Säurebildung?

A

Zu starke Säurebildung führt zu pH-Absenkung auf 4,5 - 4,8 und damit zum Prozess-Stillstand

55
Q

Was ist bezüglich des pH-Werts bei der Gärung notwendig?

A

Ständige Abfuhr bzw. Verwertung der gebildeten Säuren durch Methanbildner notwendig

56
Q

Welcher pH-Wert herrscht im Bioreaktor?

A

Im Bioreaktor meist 6,4 - 8,0

57
Q

Welche Elemente gehören zu den Makroelementen?

A

C, O, H, N, P, S, Ca, Mg, K

58
Q

Was sind essentielle Spurenelemente?

A

Cl, Na, Fe, Mn, Cu, Mo* , Ni* , Se*

*für methanogene Bakterien

59
Q

Wie verhalten sich die Proportionen zwischen den Makroelementen während der Vergärung?

A

Proportionen zwischen diesen Elementen relativ konstant

60
Q

Wann ist der vollständige Abbau organsicher Verbindungen nicht möglich?

A

Vollständiger Abbau organsicher Verbindungen nicht möglich, wenn Verhältnisse bezogen auf C dem Bedarf nicht entsprechen

61
Q

Welches Verhältnis ist besonders kritisch?

A

C:N-Verhältnis

62
Q

Wie verhält sich der mittlere Oxidationsgrad bei zunehmendem Methan-Gehalt?

A

Bei 0 % +4, nimmt dann ab, bis bei 100 % der Oxidationsgrad -4 beträgt

63
Q

Wie wird Schwefelwasserstoff gebildet?

A

Assimilatorische Sulfatreduktion (zweistufiger mikrobieller Prozess):
1. Aufnahme von Sulfat durch autotrophe Mikroorganismen und Bildung von organischen Schwefelverbindungen (bzw. Aminosäuren)
2. Hydrolysierende und fermentative Mikroorganismen bilden aus den organischen Schwefelverbindungen Sulfide

Desulfurkation:
- Reduzierung von Sulfat zu Sulfid durch obligat anaerobe Mikroorganismen unter Nutzung von Acetat, Alkoholen, Fettsäuren und Wasserstoff

64
Q

Was stellen Sulfide dar?

A

Sulfide stellen die Vorstufe der H2S-Bildung dar

65
Q

In welchen drei Formen liegt Sulfid vor?

A
  • als Schwefelwasserstoff im Gas (H2S)
  • als gelöster Schwefelwasserstoff in der Flüssigkeit (H2S), d.h undissoziiert und hemmend
  • in dissoziierter gelöster Form (HS-, S-)
66
Q

Wie unterscheiden sich der Energiegewinn zwischen Sulfat reduzierenden Bakterien und Methanbakterien?

A

Energiegewinn der Sulfat reduzierenden Bakterien beim Umsatz von Wasserstoff und Essigsäure höher als bei den Methanbakterien

67
Q

Wie hoch ist die Hemmkonzentration von Sauerstoff?

A

> 0,1 mg/L O2

Hemmung der obligat anaeroben Mehtanbakterien

68
Q

Wie hoch ist die Hemmkonzentration von Schwefelwasserstoff?

A

> 50 mg/L H2S

Hemmwirkung steigt mit sinkendem pH-Wert

69
Q

Wie hoch ist die Hemmkonzentration von flüchtigen Fettsäuren?

A

> 2000 mg/L HAc (pH 7,0)

Hemmwirkung steigt mit sinkendem pH-Wert, Hohe Adaptionsfähigkeit der Bakterien

70
Q

Wie hoch ist die Hemmkonzentration von Ammoniumstickstoff?

A

> 3500 mg/L NH4

Hemmwirkung steigt mit sinkendem pH-Wert und steigender Temperatur, Hohe Adaptionsfähigkeit der Bakterien

71
Q

Wie hoch ist die Hemmkonzentration von Schwermetallen?

A

Cu > 50 mg/L
Zn > 150 mg/L
Cr > 100 mg/L

Nur gelöste Metalle wirken inhibierend. Entgiftung durch Sulfidfällung

72
Q

Wie hoch ist die Hemmkonzentration von Desinfektionsmittel?

A

k.A.

Hemmwirkung produktspezifisch

73
Q

Wie entsteht H2S?

A

Beim Abbau der schwefelhaltigen Aminosäure Cystin und Methionin und bei Reduktion anorganischer Schwefelverbindungen (S - existentiell für Biosynthese)

74
Q

Ab wann ist Schwefelwasserstoff im Faulgas kritisch?

A

H2S - Gehalt im Faulgas > 1 % kritisch

75
Q

Welche möglichen Hemmmechanismen hat Schwefelwasserstoff?

A
  • H2S in höheren Konzentrationen für Methanbakterien giftig
  • wichtige Spurenelemente (Ni, Co, Mo, Fe) werden als schwerlösliche Metallsulfide gefällt
  • Sulfatreduktive bilden eine Konkurrenzreaktion zur Methanbildung
  • Wahrscheinlich: Hemmung durch Zusammenwirken aller drei Mechanismen
76
Q

Stoffwechselprodukte können auch zur Hemmung führen. Nenne ein Beispiel.

A

Carbonsäureanreicherung:
- Zwischenprodukte der Methangärung: Carbonsäuren mit C1-C6-Körpern
- besonders kritisch: Propionsäure (C3)

77
Q

Wozu führt ein Ansteigen der Propionsäure-Konzentration?

A
  • Hemmung der Stoffwechselreaktionen der Säurebildner
  • Rückgang der Gasproduktion
  • steigendem CO2-Gehalt
  • fallendem pH-Wert
  • im Extremfall Stopp der Gärung und CH4-Bildung
78
Q

Wozu dienen Test- und Untersuchungsverfahren?

A
  • Biologische Abbaubarkeit einer organischen Substanz kann getestet werden
  • Normierte Testverfahren für:
    • Flüssige und feste Stoffe
    • Aerobe und anaerobe Verfahren
  • Untersuchung definierter Testsubstazen und Testgemische
79
Q

Welche Grundlagen der Testverfahren gibt es?

A

Physikalisch-chemische Faktoren:
- Temperatur, pH-Wert, Korngröße, Porenvolumen, Wassergehalt, Homogenität, Gasaustausch

Substratspezifische Faktoren:
- C:N-Verhältnis, biologische Abbaubarkeit der organischen Substanz, Huminstoffe

Biologische Faktoren:
- Einsatz von undefinierten Mischkulturen (Kompost oder Klärschlamm)
- Oder Reinkulturen, bzw. Enzympräparate

80
Q

Nenne die drei Stufen beim Temperaturverlauf bei Kompostierung

A
  • Abbauphase
  • Umbauphase
  • Aufbauphase
81
Q

In welchem Bereich liegt der pH-Wert: aerob und anaerob?

A
  • aerob: 7-8
  • anaerob: z.T. sauer, z.T. leicht alkalisch
82
Q

Was ist von der Korngröße und dem Porenvolumen abhängig?

A
  • Sauerstoffversorgung
  • Abführung des gebildeten Kohlendioxid/Wärme
83
Q

Wie beeinflusst der Wassergehalt die Vergärung?

A
  • zu trocken: keine Stoffwechselvorgänge
  • zu feucht: Bildung anaerober Zonen
  • fest eingestellter Wassergehalt bei Test (50 %)
84
Q

Warum ist der Gasaustausch bei Tests wichtig?

A
  • bei aeroben Tests wichtig zur Aufrechterhaltung aerober Zustände (Sauerstoffversorgung)
  • Ableiten von:
    • Kohlendioxid
    • Ammoniak
    • Wärme und Wasser
  • Im Test oft künstliche Belüftung (regelbare Druck- oder Saugbelüftung)
85
Q

In welchem Bereich liegt das C:N-Verhältnis?

A
  • Verfügbarkeit und ausgewogenes Verhältnis wichtig
  • 20:1 bis 80:1 im Ausgangsmaterial
  • Günstig 25:1
86
Q

Was ist leicht, mittelschwer, schwer und nicht/kaum abbaubar?

A
  • Leicht: Zucker, Stärke, Pektine, Eiweißverbindungen
  • Mittelschwer: Hemicellulose, Wachse, Öle
  • Schwer: Lignine, Harze
  • Nicht/kaum abbaubar: Leder, Gummi, Kunststoffe
87
Q

Woraus bestehen Huminstoffe und worauf geben sie einen Aufschluss?

A
  • Besteht aus: Huminsäure, Fluvinsäure und Humine
  • zur Beurteilung der Kompostreife
88
Q

Was ist nasschemisch sehr ungenau zu bestimmen?

A
  • Gehalt an Fluvinsäure nimmt ab
  • Gehalt an Humunsäuren steigt
89
Q

Sind Test auf Huminstoffe als analytische Methode geeignet?

A

Nein

90
Q

Was wird mit Standardtest ermittelt?

A

Grundsätzliche biologische Abbaubarkeit:
- Batch = konstante Umgebungsbedingungen
- erheblicher Unterschied zu realen Kompostierungsanlagen
- Einfache Durchführung, hohe Reproduzierbarkeit

91
Q

Was wird mit Simulationsverfahren ermittelt?

A

Verlauf des Abbaus (Kinetik):
- Auf reale Anlagen übertragbar
- aufwendiger
- weniger reproduzierbar

92
Q

Was wird bei respirometrischen Untersuchungen ermittelt?

A

Respirometrische Untersuchungen (Atmungsaktivität):
- zur biologischen Abbaubarkeit von Feststoffen unter aeroben Bendingungen
- O2-Verbrauch und/oder CO2-Produktion
- 4 Tage bei 20°C im Respirometer (O2-Verbrauch/kg oTS)

93
Q

Wozu dient der Selbsterhitzungsversuch?

A
  • zur Rottegradbestimmung
  • einfache Vor-Ort-Messung
  • Durch Materialproben in unterschiedlichen Phasen
  • in wärmeisolierten Gefäßen
  • 10 Tage, Messung der Temperatur
94
Q

Was ist charakteristisch für das Simulationsverfahren?

A
  • an reale Kompostierungsanlagen angepasst
  • lang andauernd
  • nicht für Routineuntersuchungen
  • Entwicklung und Optimierung von Verfahren
95
Q

Wie groß ist das Volumen im Simulationsverfahren, was wird gemessen und was wird gebildet?

A
  • Bioreaktoren 20 Liter bis Qubikmeter-Maßstab
  • Messung: O2-Verbrauch, CO2-Produktion
  • Bildung von Metaboliten und Schadstoffen
96
Q

Nenne ein Beispiel für ein Simulationsverfahren.

A

Deponiesimulationsreaktor (DSR)
- aerobe und anaerobe Vorgänge
- Probenahme und Prozesssickerwässern, Gas- und Feststoffproben

97
Q

Was ist der Anaerobe Screening-Test?

A
  • Versuchsansatz mit Testsubstanz, Mineralsalzen und Inokulum
  • Testsubstanz einzige C-Quelle
  • Temperatur 35°C +- 2°C, Dauer 60 d
  • Messung der Biogasmenge (evtl. auch CO2 und CH4 Messung)
98
Q

Nenne Beispiele für genormte Verfahren.

A
  • Simulationsversuche
  • Feldversuche
  • etc.

Biologische Behandlung von organischen Stoffströmen (10 decks)

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