Vorlesung 4 Flashcards
Grundlagen der biologischen Stoffumwandlung Teil 2
Was ist der anaerobe Abbau?
Anaerobe, energieliefernde Prozesse, bei denen einem organischen Substrat (z.B. Glucose) Elektronen entzogen und auf einen organischen Akzeptor (NAD/NADP) übertragen werden
Auf was ist die ATP-Bildung beschränkt?
ATP-Bildung auf Substratkettenphosphorylierung beschränkt
Was fehlt beim anaeroben Abbau?
- Atmungskette und Zitronensäurezyklus fehlen
Welche MO sind beim Gärstoffwechsel beteiligt?
- fakultativ und obligat anaerobe MO
Welche ist die wichtigste energieliefernde Reaktion?
Glucosespaltung
Was passiert beim Gärstoffwechsel nach der Glucosespaltung?
Reduzierung des Zwischenprodukts Pyruvat direkt oder nach der Bildung weiterer Intermediärprodukte
Ist der Energiegewinn beim Gärstoffwechsel hoch oder gering? Warum?
Beim Gärstoffwechsel geringer Energiegewinn; Energieliefernde Reaktionen der Atmungskette können nicht durchlaufen werden
Was muss größer sein, damit eine adäquate Energiemenge erzeugt werden kann?
Substratumsatz von Anaerobiern muss bedeutend größer sein, um adäquate Energiemenge zu erzeugen.
Deswegen:
- Biomasseproduktion: anaerobe Systeme «_space;aerobe Systeme
Wie läuft die Glucosereduktion im Gärstoffwechsel ab?
Katabolismus( Abbau unter Energiegewinn):
- Hexosen (große Moleküle)
Anabolismus (Aufbau unter Energieverbrauch)
- Monomere
- Polymere
Nenne Beispiele für Monomere (Bausteine).
- Aminosäuren
- Zucker
- Nukleotide
Nenne Beispiele für Polymere (Makromoleküle).
- Proteine
- Polysaccharide
- Polynucleotide
In welche Stufen kann der Abbau von Biomasse und Gasbildung unterteilt werden?
- Stufe:
Extrazelluläre Aufspaltung der Makromoleküle - Stufe:
Vergärung der Bausteinmoleküle - Stufe:
Bildung Methanogener Verbindungen - Stufe:
Bildung von Biogas
Wie hoch darf maximal die verdaubare organsiche Trockenmasse (TM) in wässriger Suspension oder Lösung sein?
14 %
Was passiert in der 1. Stufe?
- Stufe = Hydrolyse
- Zerlegung der Makromoleküle in niedermolekulare, gelöste Bestandteile durch Enzyme
Was passiert in der 2. Stufe?
- 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
Was passiert in der 3. Stufe?
- 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
Was passiert in der 4. Stufe?
- 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
Was ist in Stufe 1 und 2 die optimale Temperatur und der optimale pH-Wert?
T: ca. 30°C
pH: etwa 6
Was ist in Stufe 3 die optimale Temperatur und der optimale pH-Wert?
T: ca. 35 - 45°C
pH: etwa 7
Wie lautet die Reaktionsgleichung für die Ethanolbildung?
C6H12O6 + 2 ADP + 2P_i
->
2 C2H5OH + 2CO2 + 2ATP
Wie entsteht aus Glucose Milchsäure? (Milchsäurebildung/-gärung)
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)
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?
- Propionsäurewege (z.B. Propionsäurebakterien)
- Buttersäureweg (z.B. Clostriden)
Welche Rolle spielen Fette beim Gärstoffwechsel?
- quantitativ sehr bedeutender Abbau bei der Gärung
- ebenso wie bei höheren Organismen: Prinzip der beta-Oxidation
Wie werden Fettsäureketten abgebaut?
Fettsäurekette wird schrittweise um C2-Einheiten verkürzt, die als Essigsäure freigesetzt werden (CH3COO- + H+)
Was sind Aminosäuren?
- Grundbausteine der Proteine
- Können zu Essigsäure, Ammoniak und Kohlenstoffdioxid abgebaut werden
In welche Produkte setzen Methanbakterien die vorläufigen Gärendprodukte um?
Methanbakterien setzen die vorläufigen Gärendprodukte in Essigsäure und Kohlendioxid um
Wobei entstehen über 70 % des Methans?
Über 70 % des Methans entstehen durch die Spaltung (Disproportionierung) von Essigsäure. Markierungsexperimente zeigen, dass Methan aus der Methylgruppe entsteht
Wie ist der pH-Bereich bei der Bildung saurer Zwischenprodukte?
Trotz Bildung saurer Zwischenprodukte -> günstiger pH-Bereich
In welchem pH-Bereich liegt die zugeführte Gärmasse?
Zufuhr neutraler bis schwach alkalischer Gärmasse
Welche Produkte werden nach der Gärung “entzogen”?
“Entzug” eines neutralen Produkts (Mehtan) und einer schwachen Säure (Kohlendioxid = “Kohlensäure”)
Welche Bedingungen hat ein Gleichgewichtszustand zugrunde?
Gleichgewichtszustand aller Abbaustufen, d.h. schwach alkalische Bedingungen im Faulraum
Was ist bei der CH4-Bildung aus CO2 und H2 thermodynamisch möglich?
- 4 Moleküle ATP je gebildetes Molekül CH4
- gemessen: nur 1 Molekül ATP -> extrem geringer Energiegewinn
Wie groß ist das Wachstum der Methanbakterien bei großem Substratumsatz?
Wachstum der Methanbakterien auch bei großem Substratumsatz sehr langsam
Welche Funktion hat das Enzym Methylcobalamin?
Übertragung der Methylgruppe bei der Methanbildung aus der Acetatspaltung
Welche Funktion hat das Co-Enzym M Mercaptoethansulfonsäure?
Transport der Methylgruppe bei der reduktiven Methanbildung aus CO2 und H2
Welche Funktion hat das Enzym Tetrahydrofolsäure (THF)?
Übertragung von C1 Fragmenten nicht vollständig geklärt
Welche Funktion hat das Enzym NADP?
Übertragung des H2 zur Reduzierung der Carboxylgruppe (Methanbaustein aus CO2 und H2)
Wie unterscheidet sich die Temperatur in der Hydrolyse/Versäuerung und der Methanbildung?
Hydrolyse/Versäuerung:
25-35°C
Methanbildung:
- mesophil: 32 - 42°C
- thermophil: 50 - 58°C
Wie unterscheidet sich der pH-Wert zwischen Hydrolyse/Versäuerung und Methanbildung?
Hydrolys/Versäuerung:
5,2 - 6,3
Methanbildung:
6,7 - 7,5
Wie unterscheidet sich das C:N-Verhältnis zwischen Hydrolyse/Versäuerung und Methanbildung?
Hydrolyse/Versäuerung:
10 - 45
Methanbildung:
20 - 30
Wie unterscheidet sich das C:N:P:S-Verhältnis zwischen Hydrolyse/Versäuerung und Methanbildung?
Hydrolyse/Versäuerung:
500:15:5:3
Methanbildung:
600:15:5:3
Wie unterscheiden sich der Feststoffgehalt zwischen Hydrolyse/Versäuerung und Methanbildung?
Hydrolyse/Versäuerung:
< 40 % TS
Methanbildung:
< 30 % TS
Wie unterscheidet sich das Redox-Potential zwischen Hydrolyse/Versäuerung und Methanbildung?
Hydrolyse/Versäuerung:
+400 - -300mV
Methanbildung:
< -250 mV
Wie unterscheiden sich die Spurenelemente zwischen Hydrolyse/Versäuerung und Methanbildung?
Hydrolyse/Versäuerung:
Keine essentiellen Ansprüche
Methanbildung:
Enssentiell: Ni, Co, Mo, Se
Was ist die Temperatur?
- Definition der Chemie: Reaktionsgeschwindigkeit = f(T)
- Bereitstellung von Aktivierungsenergie durch T-Erhöhung, auf biochemsiche Prozesse nur bedingt übertragbar
Was ist in biochemischen Prozessen Aufgabe der Enzyme?
Herabsetzen der Aktivierungsenergie für bestimmte Substratreaktionen
Welche Temperatur herrscht im Bioreaktor?
Im Bioreaktor meist 36-55°C
Wo liegt das Temperatur-Maximum der meisten Proteine?
Temperatur Maximum der meisten Proteine bei 40 - 50 °C
Wovon ist die Beständigkeit abhängig?
Beständigkeit = f(H2O-Gehalt), Folge: niedriger H2O-Gehalt + hohe Temperatur = geringe Stabilität
Wo liegt die optimale Temperatur für versäurende MO?
30 °C
Wo liegt die optimale Temperatur für Methanisierung?
35 - 37 °C
In welchem Bereich liegt der optimale pH-Wert für hydrolysierende, versäurende Bakterien?
5,2 - 5,5
In welchem Bereicht liegt der optimale pH-Wert für methanogene Bakterien?
6,8 - 7,2
Wozu führt eine zu starke Säurebildung?
Zu starke Säurebildung führt zu pH-Absenkung auf 4,5 - 4,8 und damit zum Prozess-Stillstand
Was ist bezüglich des pH-Werts bei der Gärung notwendig?
Ständige Abfuhr bzw. Verwertung der gebildeten Säuren durch Methanbildner notwendig
Welcher pH-Wert herrscht im Bioreaktor?
Im Bioreaktor meist 6,4 - 8,0
Welche Elemente gehören zu den Makroelementen?
C, O, H, N, P, S, Ca, Mg, K
Was sind essentielle Spurenelemente?
Cl, Na, Fe, Mn, Cu, Mo* , Ni* , Se*
*für methanogene Bakterien
Wie verhalten sich die Proportionen zwischen den Makroelementen während der Vergärung?
Proportionen zwischen diesen Elementen relativ konstant
Wann ist der vollständige Abbau organsicher Verbindungen nicht möglich?
Vollständiger Abbau organsicher Verbindungen nicht möglich, wenn Verhältnisse bezogen auf C dem Bedarf nicht entsprechen
Welches Verhältnis ist besonders kritisch?
C:N-Verhältnis
Wie verhält sich der mittlere Oxidationsgrad bei zunehmendem Methan-Gehalt?
Bei 0 % +4, nimmt dann ab, bis bei 100 % der Oxidationsgrad -4 beträgt
Wie wird Schwefelwasserstoff gebildet?
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
Was stellen Sulfide dar?
Sulfide stellen die Vorstufe der H2S-Bildung dar
In welchen drei Formen liegt Sulfid vor?
- als Schwefelwasserstoff im Gas (H2S)
- als gelöster Schwefelwasserstoff in der Flüssigkeit (H2S), d.h undissoziiert und hemmend
- in dissoziierter gelöster Form (HS-, S-)
Wie unterscheiden sich der Energiegewinn zwischen Sulfat reduzierenden Bakterien und Methanbakterien?
Energiegewinn der Sulfat reduzierenden Bakterien beim Umsatz von Wasserstoff und Essigsäure höher als bei den Methanbakterien
Wie hoch ist die Hemmkonzentration von Sauerstoff?
> 0,1 mg/L O2
Hemmung der obligat anaeroben Mehtanbakterien
Wie hoch ist die Hemmkonzentration von Schwefelwasserstoff?
> 50 mg/L H2S
Hemmwirkung steigt mit sinkendem pH-Wert
Wie hoch ist die Hemmkonzentration von flüchtigen Fettsäuren?
> 2000 mg/L HAc (pH 7,0)
Hemmwirkung steigt mit sinkendem pH-Wert, Hohe Adaptionsfähigkeit der Bakterien
Wie hoch ist die Hemmkonzentration von Ammoniumstickstoff?
> 3500 mg/L NH4
Hemmwirkung steigt mit sinkendem pH-Wert und steigender Temperatur, Hohe Adaptionsfähigkeit der Bakterien
Wie hoch ist die Hemmkonzentration von Schwermetallen?
Cu > 50 mg/L
Zn > 150 mg/L
Cr > 100 mg/L
Nur gelöste Metalle wirken inhibierend. Entgiftung durch Sulfidfällung
Wie hoch ist die Hemmkonzentration von Desinfektionsmittel?
k.A.
Hemmwirkung produktspezifisch
Wie entsteht H2S?
Beim Abbau der schwefelhaltigen Aminosäure Cystin und Methionin und bei Reduktion anorganischer Schwefelverbindungen (S - existentiell für Biosynthese)
Ab wann ist Schwefelwasserstoff im Faulgas kritisch?
H2S - Gehalt im Faulgas > 1 % kritisch
Welche möglichen Hemmmechanismen hat Schwefelwasserstoff?
- 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
Stoffwechselprodukte können auch zur Hemmung führen. Nenne ein Beispiel.
Carbonsäureanreicherung:
- Zwischenprodukte der Methangärung: Carbonsäuren mit C1-C6-Körpern
- besonders kritisch: Propionsäure (C3)
Wozu führt ein Ansteigen der Propionsäure-Konzentration?
- Hemmung der Stoffwechselreaktionen der Säurebildner
- Rückgang der Gasproduktion
- steigendem CO2-Gehalt
- fallendem pH-Wert
- im Extremfall Stopp der Gärung und CH4-Bildung
Wozu dienen Test- und Untersuchungsverfahren?
- Biologische Abbaubarkeit einer organischen Substanz kann getestet werden
- Normierte Testverfahren für:
- Flüssige und feste Stoffe
- Aerobe und anaerobe Verfahren
- Untersuchung definierter Testsubstazen und Testgemische
Welche Grundlagen der Testverfahren gibt es?
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
Nenne die drei Stufen beim Temperaturverlauf bei Kompostierung
- Abbauphase
- Umbauphase
- Aufbauphase
In welchem Bereich liegt der pH-Wert: aerob und anaerob?
- aerob: 7-8
- anaerob: z.T. sauer, z.T. leicht alkalisch
Was ist von der Korngröße und dem Porenvolumen abhängig?
- Sauerstoffversorgung
- Abführung des gebildeten Kohlendioxid/Wärme
Wie beeinflusst der Wassergehalt die Vergärung?
- zu trocken: keine Stoffwechselvorgänge
- zu feucht: Bildung anaerober Zonen
- fest eingestellter Wassergehalt bei Test (50 %)
Warum ist der Gasaustausch bei Tests wichtig?
- 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)
In welchem Bereich liegt das C:N-Verhältnis?
- Verfügbarkeit und ausgewogenes Verhältnis wichtig
- 20:1 bis 80:1 im Ausgangsmaterial
- Günstig 25:1
Was ist leicht, mittelschwer, schwer und nicht/kaum abbaubar?
- Leicht: Zucker, Stärke, Pektine, Eiweißverbindungen
- Mittelschwer: Hemicellulose, Wachse, Öle
- Schwer: Lignine, Harze
- Nicht/kaum abbaubar: Leder, Gummi, Kunststoffe
Woraus bestehen Huminstoffe und worauf geben sie einen Aufschluss?
- Besteht aus: Huminsäure, Fluvinsäure und Humine
- zur Beurteilung der Kompostreife
Was ist nasschemisch sehr ungenau zu bestimmen?
- Gehalt an Fluvinsäure nimmt ab
- Gehalt an Humunsäuren steigt
Sind Test auf Huminstoffe als analytische Methode geeignet?
Nein
Was wird mit Standardtest ermittelt?
Grundsätzliche biologische Abbaubarkeit:
- Batch = konstante Umgebungsbedingungen
- erheblicher Unterschied zu realen Kompostierungsanlagen
- Einfache Durchführung, hohe Reproduzierbarkeit
Was wird mit Simulationsverfahren ermittelt?
Verlauf des Abbaus (Kinetik):
- Auf reale Anlagen übertragbar
- aufwendiger
- weniger reproduzierbar
Was wird bei respirometrischen Untersuchungen ermittelt?
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)
Wozu dient der Selbsterhitzungsversuch?
- zur Rottegradbestimmung
- einfache Vor-Ort-Messung
- Durch Materialproben in unterschiedlichen Phasen
- in wärmeisolierten Gefäßen
- 10 Tage, Messung der Temperatur
Was ist charakteristisch für das Simulationsverfahren?
- an reale Kompostierungsanlagen angepasst
- lang andauernd
- nicht für Routineuntersuchungen
- Entwicklung und Optimierung von Verfahren
Wie groß ist das Volumen im Simulationsverfahren, was wird gemessen und was wird gebildet?
- Bioreaktoren 20 Liter bis Qubikmeter-Maßstab
- Messung: O2-Verbrauch, CO2-Produktion
- Bildung von Metaboliten und Schadstoffen
Nenne ein Beispiel für ein Simulationsverfahren.
Deponiesimulationsreaktor (DSR)
- aerobe und anaerobe Vorgänge
- Probenahme und Prozesssickerwässern, Gas- und Feststoffproben
Was ist der Anaerobe Screening-Test?
- 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)
Nenne Beispiele für genormte Verfahren.
- Simulationsversuche
- Feldversuche
- etc.
