Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser im Jahr 2020 - DVGW-EBI
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FACHBERICHT Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser im Jahr 2020 DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des KIT, Forschungsstelle für Brand- schutztechnik und TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser, Karlsruhe, Teil 3 Harald Horn, Thomas Kolb, Dimosthenis Trimis und Josef Klinger Tätigkeitsbericht, Forschung und Lehre, Ausbildung, Weiterbildung Dieser jährlich erscheinende Bericht gibt einen Überblick über die Entwicklungen und Aktivitäten am Engler-Bunte-Institut, der DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des KIT sowie der Forschungsstelle für Brandschutztechnik. Darüber hinaus wird über das TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser berichtet. Wie es auch in den vergangenen Jahren gehandhabt wurde, erscheinen die gasspezifischen Beiträge in gwf Gas + Energie (Teil 1: Ausgabe 6/2021, EBI ceb; Teil 2: Ausgabe 7-8/2021, EBI vbt) und die wasserspezifischen Beiträge in gwf-Wasser | Abwasser (Teil 3: Ausgabe 6/2021, EBI WCT; Teil 4: Ausgabe 7-8/2021, TZW). Typischerweise steht die Entwicklung der verschiedenen Einrichtungen mit Beiträgen aus der universitären Lehre, der Aus- und Weiterbildung, über Forschungs- und Entwicklungsprojekte, über Beratung und Firmenkontakte im Fokus. In diesem Bericht wird aber unstrittig auch immer wieder die Corona-Pandemie thematisiert werden, da sie sehr tief in die Organisation der For- schungsarbeiten und vor allem der Lehre eingegriffen hat. The annual report aims at giving an overview of developments and activities of the Engler-Bunte-Institut, the DVGW Research Center, the Research Center of Fire Protection Technology, and the TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser (Ger- man Water Center). As every year, the gas related parts can be found in gwf Gas + Energie (part 1: issue 6/2021, EBI ceb; part 2: issue 7-8/2021, EBI vbt) and the water related parts in gwf-Wasser | Abwasser (part 3: issue 6/2021, EBI WCT; part 4: issue 7-8/2021, TZW). The report typically highlights academic teaching, courses and advanced education, and focuses on scien- tific research and development projects, on consulting and contacts to business companies as well as on other activities. However, the current annual report also addresses the effects of the corona pandemic, which does significantly influence the daily work in research, consulting and of course teaching. Zur Geschichte und zum Umfeld Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist nach dem Das Engler-Bunte-Institut am Karlsruher Institut für Tech- Zusammenschluss des Forschungszentrums Karlsruhe und nologie ist hervorgegangen aus der 1907 gegründeten der Universität Karlsruhe im Jahre 2009 inzwischen eine „Lehr- und Versuchsgasanstalt“ und führt seit 1971 den feste Größe in der internationalen Forschungslandschaft. Namen „Engler-Bunte-Institut“. Die enge Verbindung zu Dies gelingt mit dem hohen Anspruch, sich selbst als die praxisrelevanten Fragestellungen des Gas- und Wasserfa- Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft zu ches äußert sich darin, dass die jeweiligen Teilinstitutslei- definieren. Im KIT wird seit dem Jahre 2015 ein übergeord- ter, gegenwärtig „Chemische Energieträger – Brennstoff- neter Strategieprozess (Dachstrategie KIT 2025) umgesetzt, technologie“, „Verbrennungstechnik“ und „Wasserchemie der als Konsequenz des zuvor erarbeiteten Leitbilds des KIT und Wassertechnologie“, auch in Personalunion Leiter angesehen werden kann. Das KIT hat sich 2015 zum Ziel der entsprechenden Bereiche der DVGW-Forschungsstel- gesetzt, maßgeblich Beiträge zu den Feldern Energie, Mo- le am Engler-Bunte-Institut des KIT sind. bilität und Information zu leisten. 2019 konnte das KIT im www.gwf-wasser.de 79
FACHBERICHT
Rahmen der Exzellenzstrategie von Bund und Ländern mit Landesrechnungshof 2020 nach einer Prüfung des Eng-
dem Leitmotiv „Living the Change“ in den Kreis der Exzel- ler-Bunte-Instituts in 2019 positiv adressiert. Die Organisa-
lenzuniversitäten in Deutschland zurückkehren. tion des Engler-Bunte-Instituts ist in Bild 0.1 dargestellt.
Unstrittig ist das Engler-Bunte-Institut (EBI) ein wichtiger Seit 2020 ist Frau Dr.-Ing. Florencia Saravia die Leiterin des
Baustein der Strategie, indem es das KIT-Leitbild mit rele- Bereichs Wasserchemie und Wassertechnologie an der
vanten Forschungsfragen/-projekten und der Ausbil- DVGW-Forschungsstelle des Engler-Bunte-Instituts.
dung des ingenieur- und naturwissenschaftlichen Nach- Am Tag der Gesellschaft der Freunde des Engler-Bun-
wuchses bespielt. So sieht das KIT sich „in der Verantwor- te-Instituts (als online-Veranstaltung am 10. Juni 2020)
tung, durch Forschung und Lehre Beiträge zur wurde auf der Kuratoriumssitzung des Engler-Bunte-Insti-
nachhaltigen Lösung großer Aufgaben von Gesellschaft, tuts und in der Mitgliederversammlung einem neuen
Wirtschaft und Umwelt zu leisten“. „Ingenieurwissen- Logo zugestimmt (siehe Bild 0.2).
schaften, Naturwissenschaften sowie Geistes- und Sozial- Darüber hinaus ging 2020 der seit 2019 von der Gesell-
wissenschaften bilden den Fächerkanon des KIT. Mit ho- schaft der Freunde des Engler-Bunte-Instituts vergebene
her interdisziplinärer Wechselwirkung erschließen sie Preis für die beste Masterarbeit an Herrn Fabian Hardock,
Themenstellungen von den Grundlagen bis zur Anwen- der bei seiner Arbeit zu Rußpartikeln (Entwicklung und
dung, von der Entwicklung neuer Technologien bis zur Validierung eines HRTEM-Bildauswertungsalgorithmus
Reflexion des Verhältnisses von Mensch und Technik. Um zur nanostrukturellen Analyse von Rußpartikeln) von Prof.
dies bestmöglich zu erreichen, erstreckt sich die For- Henning Bockhorn betreut wurde.
schung am KIT über die gesamte Bandbreite: von der Nach dem Bezug der neuen Gebäude (40.50 und 40.51)
Grundlagenforschung bis zu industrienaher, angewand- des Engler-Bunte-Instituts wurde im letzten Jahr auch
ter Forschung, von kleinen Forschungsvorhaben bis zu die Kunst am Bau abgeschlossen. Es handelt sich bei
langfristigen Großforschungsprojekten.“ dem Objekt um einen länglichen Quader aus Eisen (Grau-
Das Engler-Bunte-Institut am KIT zusammen mit der an- guss), der in zwei Teile gesprengt wurde, die nun vor
geschlossenen DVGW-Forschungsstelle trägt seit Jahren dem Gebäude 40.51 installiert sind (siehe Bild 0.3). Ein
mit einer sehr hohen internationalen Sichtbarkeit im Rah- Video der Herstellung des Quaders und der anschließen-
men von Forschungs- und Lehrtätigkeit zu den Themen- den Sprengung kann im Internetauftritt des Künstlers Ni-
feldern Energie und Umwelt wesentlich zur Umsetzung no Maaskola gefunden werden (http://nino-maaskola.
des KIT-Leitbilds bei. Diese Zusammenarbeit wurde vom de/40-tonnen/).
Engler-Bunte-Institut
am Karlsruher Institut für Technology (KIT)
Chemische Energieträger Verbrennungstechnik Wasserchemie und
– Brennstofftechnologie Prof. Dr. Dimosthenis Trimis
Prof. Dr. Nikolaos Zarzalis
Wassertechnologie
Prof. Dr. Thomas Kolb Prof. Dr. Harald Horn
Prof. Dr. Reinhard Rauch Forschungsstelle für Prüflaboratorium Gas Dr. Gudrun Abbt-Braun
Brandschutztechnik Dr. Jens Hoffmann
Dr. Dietmar Schelb Wasserchemie und
Gastechnologie / Wassertechnologie
Innere Dienste Dr. Florencia Saravia
Dr. Frank Graf
DVGW - Forschungsstelle
ITC vgt am CN am Engler-Bunte-Institut
Bild 0.1: Aktuelle Organisationsstruktur des Engler-Bunte-Instituts und der DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut.
Frau Dr.-Ing. Florencia Saravia ist seit 2020 Leiterin des Bereichs Wasserchemie und Wassertechnologie an der DVGW-Forschungsstelle.
80 gwf-Wasser | Abwasser 06 | 2021
FACHBERICHT Forschung und Beratung am Engler-Bunte-Institut und am TZW Das Aufkommen von Forschungsprojekten aus dem Gas- neu: alt: und Verbrennungsfach sowie dem Wasserfach ist nach wie vor sehr hoch. Die Mittel kommen dabei vom Land Bild 0.2: Das neue Logo (links) des Engler-Bunte-Instituts, BW (Ministerien, BW-Stiftung), dem Bund (DFG, BMBF, rechts ist das alte Logo abgebildet. BMWi, DBU, HGF) und der Europäischen Union. Die ein- zelnen Forschungsprojekte werden in den Berichten der Teilinstitute detaillierter dargestellt. Die aus der Praxis entstehenden Fragestellungen werden vor allem in der noch bis Anfang März in Präsenz angeboten wurde, wa- DVGW-Forschungsstelle, der Abteilung Gastechnologie, ren dann Vorlesungen und Seminare ab SS 2020 als on- dem Prüflaboratorium Gas und der Forschungsstelle für line Veranstaltungen für die Studierenden verfügbar. Brandschutztechnik bearbeitet. Einschränkungen gab es bei den großen Praktika, bei Das TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser entwickelt denen die Studierenden die Versuche als Video angebo- auf der Basis seiner umfangreichen Forschungsaktivitä- ten bekommen haben und dann auf der Basis von „Ver- ten und Praxiserfahrungen Lösungen für alle Bereiche der suchsergebnissen“ ihre Protokolle schreiben mussten. nationalen und internationalen Wasserbranche vom Res- Nur ein Teil der Praktika konnte im Sommer 2020 in Prä- sourcenschutz über die Gewinnung und Aufbereitung senz durchgeführt werden. Erfreulich war, dass wir die bis hin zur Entnahmearmatur. Rund 200 Mitarbeiterinnen Durchführung von Studien-, Bachelor- und Masterarbei- und Mitarbeiter stehen Wasserversorgern, Unternehmen, ten nahezu uneingeschränkt realisieren konnten, da der Fachbehörden und Hochschulen partnerschaftlich zur Zugang zu den Laboratorien nicht eingeschränkt war, Seite. Das TZW liefert zuverlässige Zahlen, Daten und solange die Abstandsregeln und die weiteren Schutz- Fakten und entwickelt daraus innovative Konzepte für ei- maßnahmen (wie das Tragen von Masken) eingehalten ne zukunftsfähige Wasserversorgung. Organisatorisch ist wurden. das TZW untergliedert in die Fachabteilungen: Wasser- Nach wie vor ist der Zugang von Studierenden in den versorgung, Wasserchemie, Wasserbiologie, Wasserver- ersten Semestern der Ingenieurstudiengänge an deut- teilung und Prüfstelle Wasser. schen Universitäten nicht zufriedenstellend. Auch der Erfreulich war im Jahr 2020, dass nahezu alle Forschungs- Bachelor-Studiengang „Chemieingenieurwesen und Ver- arbeiten am EBI und am TZW trotz der Corona-Pandemie weiterlaufen konnten. Dies wurde ermöglicht durch die Erstellung von spezifischen Gefährdungsbeurteilungen und den entsprechenden Betriebsanweisungen (ab März 2020) für das Arbeiten in den Werkstätten und Laboratori- en auf der einen Seite und die intensive Nutzung der Möglichkeit zum mobilen Arbeiten. Zusätzlich zu den oben benannten Quellen der Förde- rung durch die öffentliche Hand wird ein erheblicher An- teil der Forschungsprojekte auch durch Aufträge aus In- dustrie und Unternehmen finanziert. Ein Partner für be- sonders innovative Forschungsideen ist die Gesellschaft der Freunde des Engler-Bunte-Instituts, die die Teilinstitu- te seit Jahren zuverlässig und zum Teil sehr großzügig unterstützt. Die Ergebnisse der zahlreichen Forschungs- projekte sind in einer beachtlichen Zahl von Publikatio- nen dokumentiert, die in führenden internationalen Fachjournalen mit strengen Begutachtungsverfahren er- schienen sind. Die Verzeichnisse sind den Berichten der einzelnen Teilinstitute zu entnehmen. Lehre und Ausbildung Im Grunde genommen stand die Lehre am Engler-Bun- Bild 0.3: Kunstobjekt vor dem neuen Gebäude des te-Institut das ganze Jahr 2020 unter dem Eindruck der Engler-Bunte-Instituts. Corona-Pandemie. Während die Lehre des WS 19/20 www.gwf-wasser.de 81
FACHBERICHT
fahrenstechnik“ ist betroffen, konnte aber die Zahlen im qualität, Mess-/Analysetechnik und Wasserbehandlung.
WS 20/21 stabil halten. Der Bachelor-Studiengang „Bioin- Neben der Studierenden- und Doktorandenausbildung
genieurwesen“ ist ausgelastet und stellt zurzeit ein Drittel ist die Weiterbildung der bereits im Beruf stehenden
der Studierenden im ersten Semester. Im Rahmen der Fachleute ein zentraler Bestandteil des Programms am
Studiengänge „Chemieingenieurwesen und Verfahrens- Engler-Bunte-Institut. Leider musste für 2020 der Gas-
technik“ und „Bioingenieurwesen“ beteiligt sich das Eng- kursus am Engler-Bunte-Institut wegen der Pandemie
ler-Bunte-Institut an der Grundausbildung und bietet in abgesagt werden. Eine lange geplante internationale
den Bereichen Brennstoffe, Energieverfahrenstechnik, Konferenz „Biofilms9“ wurde mit 280 Teilnehmern on-
Verbrennung und Wasserchemie/Wassertechnologie ei- line durchgeführt.
ne Reihe von Hauptfächern, Vertiefungsrichtungen und Der folgende detailliertere Tätigkeitsbericht enthält wie
Profilfächern an. Für den englischsprachigen Studien- in den letzten Jahren Beiträge der drei Bereiche am Eng-
gang „Water Science and Engineering“ wird vom Eng- ler-Bunte-Institut und der angeschlossenen DVGW
ler-Bunte-Institut das Profil „Water Technologies & Urban Forschungsstelle und des TZW: DVGW-Technologiezent-
Water Cycle“ bedient, mit Veranstaltungen zur Wasser- rum Wasser.
3. Aktivitäten des Teilinstituts und der DVGW-Forschungsstelle,
Wasserchemie und Wassertechnologie
Harald Horn, Gudrun Abbt-Braun, Andrea Hille-Reichel, Florencia Saravia, Fritz H. Frimmel
3.1 Forschung und Lehre auch organische Säuren aus Hydrolysaten mit Hilfe der
Forschung Nanofiltration (BMBF Projekt „ProBioLNG“) angereichert
Das letzte Jahr war dominiert durch die Pandemie, die sich oder die wässrige Phase aus der hydrothermalen Liquefak-
in allen Lebensbereichen Bahn gebrochen hat. Das Thema tion (HTL) von Klärschlamm behandelt (EU-Projekt).
der mikrobiologischen Wasserqualität ist durch das Auftre- Einen wichtigen Beitrag zur Bereitstellung von Lithium
ten von SARS-CoV-2 Viren noch einmal verstärkt in den aus „heimischen“ Quellen konnten Frau Saravia (EBI,
Vordergrund getreten. Konkret muss die Frage nach der DVGW) und Herr Grimmer (Geowissenschaften, KIT) mit
mikrobiologischen Qualität der über kommunale und in- einer Patentanmeldung leisten, die die Gewinnung von
dustrielle Kläranlagen eingeleiteten Wässer aufgeworfen Lithium aus Thermalwasser des Oberrheingrabens mit
und beantwortet werden (Bogler et al. 2020). Bild 3.1 zeigt einem Membranverfahren beschreibt. Hier ist die Ent-
den mutmaßlichen Verbleib von SARS-CoV Viren in einer wicklung des Verfahrens noch nicht abgeschlossen, un-
kommunalen Kläranlage auf, wie er sich aus dem aktuellen strittig ist aber das sehr große Potenzial, das in dem Be-
Kenntnisstand ergibt. Eine sichere Entfernung wäre im Ab- reich vorhanden ist.
lauf Nachklärung nur mit weitergehenden (Desinfektions-)
Verfahren möglich. Die Diskussion ist auch vor dem Hinter- Lehre
grund der Einleitungen von antibiotikaresistenten Bakteri- Die Anzahl der Studienanfänger im Bachelorprogramm
en und Antibiotikaresistenzgenen wichtig, da mit der so- „Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik“ konnte
genannten vierten Reinigungsstufe teilweise Fakten ge- im WS 2020/21 im Vergleich zum Vorjahr gehalten wer-
schaffen werden, die die mikrobiologische Wasserqualität den. Dort liegt die Auslastung unter 100 %. Im Vergleich
nur unzureichend adressieren. dazu sind die Anfängerzahlen im Bachelorprogramm
Neben der Frage des Verbleibs von SARS-CoV Viren wur- „Bioingenieurwesen“ stabil hoch mit einer Auslastung von
den im letzten Jahr in der Wasserchemie und Wassertech- über 100 %. Durch die sehr hohen Anfängerzahlen in den
nologie verschiedene Projekte weitergeführt oder auch vorigen Jahren sind die Studierenden in den Masterstudi-
neu begonnen. Sehr erfreulich sind die Ergebnisse aus ei- engängen „Chemieingenieurwesen und Verfahrenstech-
nem Projekt, das hier an gleicher Stelle im letzten Jahr vor- nik“ und „Bioingenieurwesen“ nahezu identisch mit de-
gestellt wurde (BMBF Projekt „KompaGG-N“). Wir können nen der Anfänger in Bachelorstudiengängen. Wie schon
zeigen, dass mit Hilfe der Membrantechnik die (Vor-)Be- in den Vorjahren erfreut sich der englischsprachige Mas-
handlung von Gülle sehr gut möglich ist, in Abschnitt 3.2 terstudiengang „Water Science and Engineering“ einer
werden die ersten Ergebnisse vorgestellt. Membranverfah- sehr hohen nationalen und internationalen Nachfrage.
ren spielen zusehends eine wichtige Rolle bei der Aufbe- Vor allem die Veranstaltung „Water Technology“, „Mem-
reitung verschiedenster wässriger Stoffströme. Neben der brane Technology in Water Treatment“ und „Fundamen-
Behandlung von Gülle mit Membranverfahren werden tals of Water Quality“ sind integrale und sehr stark be-
82 gwf-Wasser | Abwasser 06 | 2021FACHBERICHT
Bild 3.1: Die biologische Abwasserbehandlung ermöglicht den enzymatischen Abbau von organischen Kohlenstoffverbindungen,
aber auch die Entfernung von Viren. Dabei wird ein Teil der SARS-CoV-Erreger im Vorklärbecken ausgeschleust, andere sorbieren an
Belebtschlammflocken und werden dann mit dem Überschussschlamm entfernt. Im Anschluss an die Nachklärung besteht die Mög-
lichkeit zur weiteren Behandlung. Das Abwasser kann mit weitergehenden Oxidationsverfahren (AOP), UV und/oder Filtration über
verschiedene Membransysteme wie Ultrafiltration (z.B. in einem Membranbioreaktor, MBR) behandelt werden. Diese Abwässer kön-
nen durch dichte Membranen in der Nanofiltration oder Umkehrosmose weiter aufbereitet werden, um eine vollständige Entfernung
des Virus zu gewährleisten. Zum Teil übernommen aus (Bogler et al., 2020).
suchte Veranstaltungen in den oben genannten Master- als auch mit den Prozessen, die bei der Desintegration von
studiengängen. Frau Dr. Borowska hat im Wintersemester Klärschlamm auftreten. Sie setzt dabei auf unsere Kompe-
zum ersten Mal die Veranstaltung „Micropollutants in tenz bei der Fraktionierung des gelösten organischen
Aquatic Environment – Determination, Elimination, En- Kohlenstoffs (DOC) und die Möglichkeit, daraus die Ab-
vironmental Impact“ erfolgreich gehalten. Alle Veranstal- bauwege besser identifizieren zu können. In 2021 werden
tungen sind in den letzten Jahren an die Studiengänge zwei weitere Humboldt-Forschungsstipendiatinnen hin-
angepasst worden. zukommen.
Die Pandemie hat auch hier Spuren hinterlassen, da wir Der ABC Kurs (Advanced Biofilm Course), der 2020 in Karls-
alle Vorlesungen seit April 2020 online anbieten. Erfreuli- ruhe stattfinden sollte, ist am Ende der Pandemie zum
cherweise konnten wir die Praktika zur Grundvorlesung Opfer gefallen. Wir hoffen, dass wir den Kurs spätestens in
„Allgemeine Chemie und Chemie der wässrigen Lösun- 2022 wieder aufnehmen können. Stattgefunden hat aber
gen“ im letzten Jahr im Sommer noch zur Hälfte in Prä- die internationale Tagung „Biofilms9“, die wir zusammen
senz durchführen. mit den Angewandten Biowissenschaften des KIT (Johan-
nes Gescher) Anfang Oktober 2020, während drei Tagen
Internationale Kooperationen online durchgeführt haben. Dazu konnten wir über 280
in Forschung und Lehre Teilnehmer und Teilnehmerinnen aus mehr als 30 Ländern
Die Forschung in der Wasserchemie und Wassertechnolo- gewinnen. Spannend war in der Tat, dass wir mit nur drei
gie am Engler-Bunte-Institut erfreut sich international ei- Personen die Vortragssessions organisiert haben. Die Pos-
ner großen Aufmerksamkeit. Seit dem letzten Jahr haben tersessions konnten mit der Unterstützung aller Doktoran-
wir einen Humboldt-Forschungsstipendiaten und eine den und Doktorandinnen sehr individuell gestaltet wer-
-stipendiatin am Institut. Dr. Samuel Bunani aus Burundi den, und boten den Wissenschaftlern und Wissenschaftle-
untersucht die Abtrennung von Schwermetallen unter rinnen eine optimale Plattform für Diskussionen.
Einfluss von Huminstoffen mit der Elektrodialyse. Frau Dr.
Keke Xiao aus China beschäftigt sich sowohl mit der Ent- Promotionen
fernung von organischen Spurenstoffen aus Klärschlamm, Im Jahr 2020 konnten vier Doktoranden und Doktorandin-
www.gwf-wasser.de 83FACHBERICHT
nen ihre Promotionen in unserem Institut abschließen. Im meatstroms JP (temperaturgekoppelt) führte ebenfalls zur
August verteidigte Frau M. Sc. Annika Bauer ihre Disserta- verstärkten Bildung von Calcit-Scaling. Dies wurde durch
tion mit dem Titel „Einsatz der optischen Kohärenztomo- das vermehrte Auftreten von temporären lokalen Super-
graphie zur kontinuierlichen Überwachung von Scaling konzentrationen bei hohem JP erklärt. Die Variation der
bei der Membrandestillation” (Referent: Prof. Dr. Harald Konfiguration von Direct Contact zu Air Gap hatte keinen
Horn; Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Mathias Ernst (Technische Einfluss auf das Wachstum der anorganischen Deck-
Universität Hamburg)). Die Arbeit ist im Folgenden kurz schicht. Durch die Änderung der Wassermatrix bildeten
zusammengefasst: sich ähnliche Scalingschichten aus Calcit und Magnesium-
Die Membrandestillation (MD) ist ein junges und innovati- calcit. Beide führten zur identischen Reduktion des Per-
ves Verfahren zur thermischen Aufbereitung hoch saliner meatstroms, die durch unterschiedliche Bedeckungsgra-
Wässer. Die Separation anhand einer hydrophoben Mem- de in Kombination mit signifikant verschiedenen Kristall-
bran wird durch den Phasenübergang von volatilen Kom- morphologien hervorgerufen wurde. Die alleinige
ponenten bei gleichzeitigem Rückhalt der flüssigen Be- Detektion von JP lieferte damit nur unzureichend genaue
standteile erreicht. Im (Langzeit-)Betrieb bilden sich häufig Informationen, die nur eingeschränkt für die Interpretati-
Deckschichten, die bei hoch salzigen Wässern hauptsäch- on von Scaling genutzt werden konnten. Die Bestim-
lich aus Scaling bestehen und zu einem Rückgang des mung der Scalingparameter verdeutlichte die Unter-
Permeatstroms und einer Verschlechterung der Permeat- schiede hingegen klar und lieferte neben der Wachs-
qualität führen können. Die Detektion des Permeatstroms tumsgeschwindigkeit auch Informationen über die
ist derzeit die Methode der Wahl, um auf die Bildung von Morphologie der Kristalle.
Scaling zu schließen. Ein ganzheitliches, nichtinvasives Mo- Die Menge an chemisch abgereinigtem Calciumsulfat
nitoring der Membran im laufenden MD-Betrieb existiert wurde in situ untersucht und anhand der Scalingparame-
nicht, und auch die Bestätigung von Scaling auf der Mem- ter quantifiziert. Neben dem idealen Zeitpunkt zur Reini-
bran wird vornehmlich ex situ nach Abschluss des Experi- gung konnten damit auch die Reinigungsdauer und die
ments durchgeführt. In der vorliegenden Arbeit wurde, Effektivität der verwendeten Chemikalien bestimmt wer-
basierend auf der optischen Kohärenztomographie (OCT), den. Dabei zeigte Zitronensäure eine verbesserte Reini-
eine Methode zur sicheren Visualisierung und Quantifizie- gungskinetik gegenüber Natronlauge.
rung von anorganischen Deckschichten entwickelt und im Die in dieser Arbeit entwickelte Methode stellt damit ein
laufenden MD-Betrieb angewandt. Werkzeug zur ganzheitlichen Optimierung der Membran-
In einer vollautomatisierten Membrandestillationslabor- destillation in Bezug auf die Bildung von Scaling dar und
anlage wurden konzentriertes Ostseewasser (OstWK) liefert durch die nichtinvasive Anwendung Informationen
und Leitungswasser der Stadt Karlsruhe (KALW) behan- zur morphologischen Entwicklung der Deckschicht.
delt und das Wachstum der Deckschicht auf den Einfluss Im November schloss Frau M. Sc. Luisa Gierl ihre Disser-
variierender Prozessparameter mittels OCT untersucht. tation mit dem Thema „Untersuchungen zum Einfluss
An einer manuellen Membrandestillationslaboranlage von Eisen auf die Struktur und mechanischen Eigenschaf-
wurde zudem die chemische Reinigung mittels Zitronen- ten von Bacillus subtilis Biofilmen“ ab (Referent: Prof. Dr.
säure und Natronlauge an einer Scalingschicht aus Calci- Harald Horn; Korreferent: Prof. Dr. Johannes Gescher (KIT)):
umsulfat prozessbegleitend bewertet. Biofilme sind Aggregationen von Mikroorganismen, die in
Basierend auf ImageJ und Matlab wurde eine Methode einer Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen
zur Bearbeitung der digitalen OCT-Datensätze entwickelt, (EPS) eingebettet sind und hauptsächlich an Grenzflächen
die neben der Visualisierung vor allem eine sichere Quan- in wässrigen Umgebungen auftreten. Die Biofilmforschung
tifizierung des Scalings auf der Membranoberfläche er- ist von großem Interesse, um operative Parameter in Tröpf-
möglichte. Gebildete Artefakte – hervorgerufen durch chen-Bewässerungssystemen, Kläranlagen, Trinkwasserauf-
die Eigenschaften der Salzkristalle – wurden durch die bereitungssystemen oder auch in Reaktorsystemen zur
PolyFIT Methode kompensiert und die Fehlerrate deut- Produktion von Chemikalien bestimmen zu können.
lich reduziert. Neu entwickelte Scalingparameter ermög- In der Dissertation wurde deshalb auf die Biofilmentwick-
lichten zudem eine objektive morphologische Bewer- lung sowie auf die Interaktion des Biofilms mit seiner Umge-
tung des Membranzustandes und können als membran- bung (Fluid-Struktur-Dynamik) unter dem Einfluss verschie-
basierte Prozessleitparameter eingesetzt werden. dener Eisenkonzentrationen (β = 0,25 und 2,5 mg/L Fe2+)
Die gezielte Veränderung der Temperatur hatte einen sowie Volumenströmen (Q = 1 und 5 mL/min) näher einge-
maßgeblichen Einfluss auf die Bildung von Calcit-Deck- gangen. Dabei fanden Wachstumsexperimente im Hin-
schichten. Eine erhöhte Prozesstemperatur setzte die Lös- blick auf strukturelle Biofilmeigenschaften sowie Deforma-
lichkeit der Ionen herab und führte damit zu einer massi- tionsstudien unter dem Aspekt der Analyse mechanischer
ven und schnellen Bildung von großen Kristallen auf der Biofilmeigenschaften in Fließzellen statt. Weiterhin wurde
Membranoberfläche. Die schrittweise Erhöhung des Per- die Automatisierung von Laborabläufen sowie die Auto-
84 gwf-Wasser | Abwasser 06 | 2021FACHBERICHT matisierung der Versuchsauswertung näher betrachtet. ten Ansatz und stellt ein neues Messkonzept für die nicht- Die Untersuchungen erfolgten dabei mittels optischer invasive Untersuchung der CP in situ vor. Kohärenztomographie (OCT). Die OCT ist ein Verfahren, Mittels Raman-Mikrospektroskopie (RM) wurde die Kon- welches die Biofilmstruktur in situ, nichtinvasiv und hoch- zentrationspolarisationsgrenzschicht (CPL) von Sulfat im auflösend abbildet. Die Integration der OCT in ein neues Labor in situ gemessen. Dafür wurde eigens eine Nano- und automatisiertes Kultivierungs- und Monitoringsystem filtrations(NF)-Flachkanalzelle entwickelt, die es erlaubt, zeigte hier die Notwendigkeit einer Mindestanzahl von die CPL in einer Umgebung zu messen, welche repräsen- statistisch relevanten Biofilmreplikaten und die Möglich- tativ für in der Praxis verwendete Wickelmodule ist (Ka- keit, diese mit dem System simultan abzubilden. nalhöhe 0,7 mm, ausstattbar mit kommerziellen Spacern). Eine Differenzierung der Biofilmentwicklung bzw. -stabili- Ziel war, RM als neue Messtechnik für die ortsaufgelöste tät unter verschiedenen Wachstumsbedingungen konn- Untersuchung von Konzentrationsgradienten in der NF te unter Anwendung des Kultivierungs- und Monito- und Umkehrosmose (RO) vorzustellen. ringsystems beurteilt werden. Die Arbeit zeigt dabei, dass Die NF-Membrananlage wurde mit einer Modelllösung eine Zugabe von Fe2+ zum Kultivierungsmedium die Dif- (Magnesiumsulfat gelöst in demineralisiertem Wasser) ferenzierung zu voll entwickelten Biofilmen maßgeblich bei einem konstanten Systemdruck von 10 bar betrieben. beeinflusst. Es wurde nachgewiesen, dass erhöhte Men- Übliche Messparameter zur Bestimmung der Filtrations- gen an Fe2+ (2,5 mg/L) das Biofilmwachstum bezogen auf leistung, unter anderem Ausbeute, Leitfähigkeit im Per- die Biofilmdicke, Fließkanalbedeckung sowie weitere meat etc., wurden aufgezeichnet. Der Membranrückhalt Strukturparameter förderte. Dabei lagerten sich unter- betrug mindestens 96 %. Konzentrationsprofile wurden schiedliche Modifikationen von Eisenoxidhydroxiden mit und ohne Spacer für Sulfatkonzentrationen von 10 x-FeO(OH) in die Biofilmmatrix ein. und 20 g/L im Zulauf an mehreren Positionen entlang Innerhalb von Deformationsstudien wurde weiterhin illust- des Membrankanals gemessen. Die Strömungsgeschwin- riert, dass auch nach Wandschubspannungen von digkeit wurde im Bereich 0,004 bis 0,2 m/s variiert, wo- τW = 16 Pa noch Biofilmmasse in den Fließzellen vorhanden durch eine Ausbeute zwischen 0,5 und 31 % erreicht war, was vor allem für Aufreinigungsprozesse in Trinkwas- wurde. Es wurden sowohl 1D-Tiefenprofile als auch sersystemen von Bedeutung ist. Weiterhin zeigten die Ver- 3D-Scans durchgeführt. Die Messergebnisse zeigten suche, dass ein erhöhtes Vorkommen von Fe2+ im Nährme- übereinstimmend, dass eine höhere Ausbeute zu einer dium zu einer erhöhten Kompressibilität der Biofilme führt. Konzentrationserhöhung an der Membranoberfläche Die Ergebnisse der Dissertation begründen die Notwen- führt. Zudem wurde bei Strömungsgeschwindigkeiten in digkeit der Durchführung von Replikaten in der Biofilm- der Größenordnung mm/s, ein Einfluss der Membranori- forschung. Weiterhin zeigen sie auch die Notwendigkeit entierung beobachtet. Filtration entgegen der Schwer- der Nutzung einer Vielzahl von Strukturparametern zur kraft hatte eine höhere Ausbeute und Permeatqualität vollständigen Analyse der Fluid-Biofilm-Interaktion und zur Folge. Die RM Messungen zeigten, dass dafür ein ver- der Biofilmentwicklung. Auch wird demonstriert, dass ei- besserter Stofftransport an der Membranoberfläche ne Automatisierung der Analyse mechanischer Biofilmei- durch natürliche Konvektion (Rayleigh-Taylor-Instabilität, genschaften sinnvoll ist. Da die physikalische Struktur ei- RTI) verantwortlich ist. Damit wurde hierin auch erstmals nes Biofilms die Interaktion mit seiner Umgebung deter- RTI in einem NF-System in situ gemessen. Bei den RM miniert, sind die Ergebnisse von großer Bedeutung für Messungen mit Spacer zeigte sich bei geringen Strö- den Forschungsbereich Biofilmkontrolle. mungsgeschwindigkeiten eine charakteristische Konzen- Ebenfalls im November konnte Herr M. Sc. Jung seine Dis- trationsverteilung. Der Vergleich mit simulierten Strö- sertation zum Thema „Raman microspectroscopy for in-si- mungsprofilen in der Fachliteratur zeigte eine große tu measurement of concentration polarization in nanofilt- Ähnlichkeit zwischen Simulations- und Messergebnissen. ration“ erfolgreich verteidigen (Referent: Prof. Dr. Harald Inwieweit RM auch auf die Untersuchung komplexer Fou- Horn; Korreferent: Prof. Dr. Cristian Picioreanu (King Abdul- lingphänomene in der Membranfiltration angewendet lah University of Science and Technology, Saudi-Arabien)). werden kann, wurde anhand von Biofouling untersucht. Im Folgenden ist eine Kurzfassung der Arbeit abgedruckt: Dazu wurde die NF-Anlage mit einer Nährlösung betrie- Konzentrationspolarisation (CP) beschreibt ein Phäno- ben, welcher Kulturen von Bacillus subtilis zugesetzt wur- men des Stofftransports gelöster Teilchen an der Mem- den. Ziel war es, den Einfluss eines Biofilms an der Mem- branoberfläche druckbetriebener Membrananlagen. Die branoberfläche auf die CPL zu untersuchen. Zur Analyse sich bildende Grenzschicht hat eine Dicke in der Größen- des Biofilms wurde die optische Kohärenztomographie ordnung von Mikrometern. Daher ist CP experimentell (OCT) verwendet. Dabei wurde festgestellt, dass die me- nur schwer zugänglich, weshalb das Phänomen in der chanischen Eigenschaften des Biofilms mit den Betrieb- allgemeinen Forschung meist mit indirekten Methoden sparametern der Membranfiltration zusammenhängen. untersucht wird. Diese Arbeit verfolgt jedoch einen direk- Insbesondere führten Änderungen des Permeatflusses www.gwf-wasser.de 85
FACHBERICHT
zu Änderungen der Biofilmdicke durch Kompression und defutter als Modell für Küchenabfälle verwendet. Die
Relaxation. Es wurden Konzentrationsprofile für vier Biofil- ausgewählten Inokula umfassten eine gemischte Bakte-
me unterschiedlicher Dicke im Bereich von 20 bis 100 µm rienkultur, die über 24 Monate für das Wachstum auf
gemessen. Die Ergebnisse bestätigten, dass Biofilme zu Cellulose selektiert wurde, Milch und Ziegenweichkäse.
einer Erhöhung der Salzkonzentration an der Mem- Die Batchtests wurden bei pH 4, pH 6 und pH 8 sowohl
branoberfläche führen und damit weitere Foulingtypen, für unbehandeltes als auch für vorbehandeltes Hunde-
insbesondere Scaling, gefördert werden. futter durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Pro-
Die Möglichkeiten und Schwierigkeiten der Messmetho- duktion von Propionsäure und anderen flüchtigen Fett-
de werden durchgängig kritisch diskutiert. Sphärische säuren deutlich vom gewählten Inokulum und dem ein-
Aberration aufgrund der Lichtbrechung beim Durchgang gestellten pH-Wert abhängt.
durch verschiedene Medien mit unterschiedlichen Bre- Die maximalen Propionsäureproduktionsraten und
chungsindizes stellt eine der größten Herausforderungen Ausbeuten wurden für das Käse-Inokulum bei pH 6 un-
für das Messprinzip dar. Sie führt zu Verlust von Signalin- ter Verwendung von unbehandeltem und vorbehan-
tensität und hat eine Verminderung der Tiefenschärfe zur deltem Hundefutter bestimmt. Die Propionsäurekon-
Folge. Komplexe Strömungsfelder, welche eine Schich- zentration erreichte 10 bzw. 26,5 g/L. Die höchste Kon-
tung von Salzlösung unterschiedlicher Brechkraft zur Fol- zentration an flüchtigen Fettsäuren von ungefähr
ge haben, führen zu einer Unterbewertung der Salzkon- 60 g/L wurde erhalten, wenn Milch als Inokulum ver-
zentration an der Membranoberfläche. Die beobachtete wendet wurde, um vorbehandeltes Hundefutter bei
Komprimierbarkeit der Biofilme stellt eine weitere Proble- pH 8 zu fermentieren. Die Verbesserung der Propionsäu-
matik für die Messmethodik dar und hat bei größeren reproduktion aus Hundefutter und Küchenabfällen wur-
Filmdicken eine deutliche Überbewertung der Salzkon- de auch in einem halbkontinuierlichen anaeroben
zentration an der Membranoberfläche zur Folge. 12 L-Hydrolysereaktor untersucht. Drei Betriebsläufe wur-
In dieser Arbeit wurden Konzentrationsprofile in der den bei einem pH-Wert von 6,0 ± 0,1 jeweils für mehr
Grenzschicht über einer NF-Membran direkt, nichtinvasiv als drei Monate durchgeführt. Dabei wurden zwei der
und ortsaufgelöst gemessen. Das vorgeschlagene Mess- auch in den Batchtests untersuchten Inokula verglichen,
konzept ist praktisch nutzbar, benutzerfreundlich und die gemischte mikrobielle Kultur und die in Ziegenkäse
erlaubt darüber hinaus die Nutzung von Spacern sowie enthaltene Kultur. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass
die Untersuchung komplexer Foulingphänomene. das Ziegenkäse-Inokulum für die Propionsäureproduk-
Frau M.Sc. Rowayda Ali schloss ihre Doktorarbeit im De- tion effizienter war, was zu einer Erhöhung um 50 %
zember 2020 ab. Der Titel ihrer Dissertation lautet „Propi- führte. Die höchste Propionsäurekonzentration wurde
onic acid production through anaerobic fermentation of mit 139 mmol/L unter Verwendung von Hundefutter
food waste“ (Referent: Prof. Dr. Harald Horn; Korreferent: und mit 105 mmol/L unter Verwendung von Küchen-
Prof. Dr. Johannes Gescher (KIT)): abfällen erreicht. Darüber hinaus wurde beobachtet,
Das Streben nach der Minimierung von Abfällen in Verbin- dass die Propionsäureproduktion durch eine Kombina-
dung mit der Rückgewinnung von Ressourcen hat die tion einer relativ hohen hydraulischen Retentionszeit
Aufmerksamkeit auf die Verwendung von Lebensmittelab- (HRT) mit einer relativ niedrigen organischen Bela-
fällen als Ausgangsstoffen für die Herstellung hochwerti- dungsrate (OLR) erhöht wurde, da dies eine ausreichen-
ger Produkte gelenkt. Weltweit fallen jährlich rund 1,3 Milli- de Zeit für die vollständige Verarbeitung der komple-
arden Tonnen Lebensmittelabfälle an. Diese Abfälle wer- xen organischen Substrate sicherstellt. Weiterhin wurde
den immer noch auf Deponien abgeladen oder verbrannt, die Vorbehandlung der Fermentationsbrühen von fer-
was zu Treibhausgasemissionen führt. Die biologische mentiertem Hundefutter und Küchenabfällen als erster
Umwandlung von Lebensmittelabfällen in Mehrwertpro- Schritt im Propionsäureaufbereitungsprozess unter-
dukte wie Propionsäure ist daher ein vielversprechender sucht. Hierbei wurden zunächst unter Verwendung ei-
Ansatz für die Entwicklung einer biobasierten Wirtschaft ner Trenneinheit große Partikel aus der Fermentations-
und die Verringerung der Abhängigkeit von nicht erneuer- brühe entfernt, in der Folge wurden die übrigen
baren fossilen Ressourcen. Ziel der vorliegenden Dissertati- suspendierten Partikel durch ein getauchtes Mikrofiltra-
on war es, die Propionsäureproduktion aus Lebensmittel- tionsmembransystem abgetrennt. Es wurde gezeigt,
abfällen durch anaerobe Fermentation zu verbessern. dass die Trenneinheit ein effizientes Vorbehandlungs-
Dementsprechend wurden verschiedene Batch- und halb- verfahren für den Mikrofiltrationsprozess ist. Die Einheit
kontinuierliche Fermentationsexperimente bei mesophiler konnte mehr als 86 % der gesamten suspendierten
Temperatur (30 °C) durchgeführt. Der Einfluss des Inoku- Feststoffe aus der Fermentationsbrühe entfernen. Die
lums, des pH-Werts und der thermischen Vorbehandlung Mikrofiltrationsmembran wurde erfolgreich zur Abtren-
des Substrats wurde mit Batch-Fermentationstests im La- nung von Partikeln im Hydrolysat eingesetzt. Die Ver-
bormaßstab untersucht. Als Substrat wurde veganes Hun- wendung von Mikrofiltrationsmembranen mit einer
86 gwf-Wasser | Abwasser 06 | 2021FACHBERICHT
Tabelle 3.1: In Arbeit befindliche, im Jahre 2020 abgeschlossene* und neu begonnene Forschungsprojekte.
Schwerpunkt Projektmitarbeiter/Innen Thema Förderung
Wasserqualität Alondra Alvarado Hydrolyse partikulärer organischer Stoffe bei der National Council on Science and
Stephanie West anaeroben und aeroben Abwasserbehandlung* Technology, Mexiko, Dt. Akad. Aus-
Gudrun Abbt-Braun tauschdienst (DAAD), DVGW
Samuel Bunani Einsatz der Elektrodialyse zur Abtrennung von Alexander von Humboldt Stiftung,
Schwermetallen KIT
Amélie Chabilan Verhalten von Antibiotika in Flüssen und Flusssedi- Baden-Württemberg Stiftung, KIT
Ewa Borowska menten und ihre Auswirkungen auf die Ausbreitung
der Antibiotikaresistenzen in der natürlichen Umwelt
Harald Horn DVGW-Innovations-Scouting-Wasser DVGW
Stephanie Kaschewski Anwendung neuer Technologien, wie das Internet of BOSCH
Things und künstliche Intelligenz, zur Verbesserung
der Trinkwasserversorgung in Wohngebäuden
Tim Schwarzenberger Verifizierung und Optimierung eines kombiniert vari- DVGW-Technologiezentrum Wasser
ablen Ansatzes zur mikrobiologischen Validierung (TZW)
von mono- und polychromatischen UV-Systemen
Lara Stelmaszyk Methodenentwicklung für die Quantifizierung von TZW
Antibiotikaresistenzgenen anhand PCR-basierter Ver-
fahren und Kulturverfahren
Stephanie West Weiterentwicklung und Validierung der Durchflusszy- DVGW
tometrie als schnelle Detektionsmethode für Bakterien
in Roh- und Trinkwasser (FlowDetect; Verbundprojekt)*
Stephanie West Mikroorganismen und Turbulenz – Wasserqualitäts- Baden-Württemberg Stiftung
vorhersage (MOAT, Verbundprojekt)*
Stephan Zimmermann Verhalten von Krebsmedikamenten bei Oxidations- KIT
Ewa Borowska verfahren in der Wasseraufbereitung
Wasser- Rowayda Ali Entwicklung von Kaskadenreaktoren zur Umsetzung Bundesministerium für Bildung und
technologie Jinpeng Liu biogener Abfallströme in Wasserstoff und Propionat Forschung (BMBF), Islamic Develop-
Andrea Hille-Reichel (RECICL; Verbundprojekt) ment Bank, Saudi Arabia
Florencia Saravia
Michael Wagner
Andreas Netsch Entwicklung und Demonstration einer energieeffizi- BMBF
Michael Wagner enten bioelektrochemischen Abwasserbehandlung
im technischen Maßstab mit Einhaltung gesetzlicher
Anforderungen zur Ablaufqualität (Demo-BioBZ; Ver-
bundprojekt)
Giorgio Pratofiorito Entwicklung einer ressourcen- und kosteneffizienten BMBF
Florencia Saravia Prozesskette zur dezentralen Produktion von LNG auf
der Basis innovativer Konversions-, Power-to-Gas- und
Gasaufbereitungsverfahren (ProBioLNG; Verbundpro-
jekt)
Prantik Samanta Komplettaufbereitung von Gülle und Gärresten unter BMBF
Florencia Saravia Berücksichtigung regionaler Stoffstromkonzepte für
Nähr- und Schadstoffe (KompaGG-N; Verbundpro-
jekt)
Ali Sayegh Verarbeitung hydrothermaler Verflüssigungsprodukte Europäische Kommission
Florencia Saravia mit Membrantechnologien (Verbundprojekt)
Michael Sturm Mikroplastikfreie Meersalzgewinnung – Entwicklung Deutsche Bundesstiftung Umwelt,
eines methodologischen und technologischen Ver- Bundesministerium für Wirtschaft
fahrens zur Reduktion der Mikroplastikbelastung bei und Energie (BMWi) – Zentrales In-
der Meersalzgewinnung novationsprogramm Mittelstand
Dámare Araya, Valenzuela Fallstudie zur Implementation von Wassertechnolo- National Agency of Research and
Florencia Saravia gien in ariden Gebieten Development, Chile, DAAD, KIT
Biologische Ab- Keke Xiao Verhalten organischer Stoffe (refraktäre Stoffe, organi- Alexander von Humboldt Stiftung,
wasserreinigung sche Spurenstoffe) bei der Klärschlammbehandlung KIT
www.gwf-wasser.de 87FACHBERICHT
Biologische Luisa Gierl Nutzung von multidimensionalen Bilddaten der opti- Deutsche Forschungsgemeinschaft
Grenzflächen Michael Wagner schen Kohärenztomographie zur Entwicklung eines (DFG)
multiphysikalischen Biofilmmodells*
Max Hackbarth Mikrobielle Elektrosynthese zur Bioplastik Produktion BMBF
Andrea Hille-Reichel aus Rauchgas (BioElectroPlast; Verbundprojekt)*
Michael Wagner
Max Hackbarth Biotechnologische Produktion von Plattform-Chemi- Bioökonomie, Land Baden-Würt-
Andrea Hille-Reichel kalien mittels Anoden-assistierter Fermentation (Bio- temberg
Harald Horn ProChem; Verbundprojekt)*
Max Hackbarth Extremophile Kathodenbiofilme als Power-to-X Bioka- BWPLUS, Land Baden-Württemberg
Andrea Hille-Reichel talysatoren (EKatBio; Verbundprojekt)*
Harald Horn
Max Miehle Kontinuierliche Bioproduktion mit maßgeschneider- BMBF
Andrea Hille-Reichel ten Biokatalysatoren in bioelektrochemischen Fer-
mentern (ContiBio-Elect; Verbundprojekt)
Florian Ranzinger Untersuchung poröser Medien mittels Magnetreso- KIT
Michael Wagner nanztomographie
Gisela Guthausen
Lizheng Guo Desinfektion und Biofilme in Trinkwasserverteilungs- Chinese Academy of Science, KIT
Harald Horn systemen
Porengröße von 0,1 µm, 0,45 µm und 0,8 µm führte zur Untersuchung des Verhaltens von Antibio-
Passage von ca. 90 % der flüchtigen Fettsäuren. Darü- tika in Flüssen und Flusssedimenten und
ber hinaus entfernten die Membranen mehr als 85 % ihre Auswirkung auf die Ausbreitung der
der gesamten suspendierten Feststoffe (TSS). Der Antibiotikaresistenzen in der natürlichen
höchste kritische Flux von ungefähr 14 L/(m h) wurde Umwelt
unter Verwendung des Küchenabfallhydrolysats, der
Membran mit einer Porengröße von 0,45 µm und einer Amélie Chabilan, Ewa Borowska; Förderung:
Begasung von 80 m3/(m h) beobachtet. Baden-Württemberg Stiftung
Die beiden erstgenannten Arbeiten sind bereits in der
Schriftenreihe Bereich Wasserchemie und Wassertechno- Antibiotika werden in der Human- und Veterinärmedizin
logie, Engler-Bunte-Institut, Karlsruher Institut für Techno- gegen bakterielle Infektionen eingesetzt und stellen eine
logie, erschienen (Band 79 und Band 80, ISSN 2195-2973). der wichtigsten Gruppen von Pharmazeutika dar. Eines
Die Arbeiten von Herrn Jung (Band 81) und Frau Ali (Band der drängendsten Probleme, das derzeit im Zusammen-
82) werden in Kürze gedruckt, erscheinen aber mit einer hang mit Antibiotika diskutiert wird, ist das vermehrte
neuen Nummer (ISSN 2747-819X (Print)). Sie sind dann Auftreten von Antibiotikaresistenzen. Schätzungen ge-
ebenfalls über das Sekretariat des Lehrstuhls in gedruck- hen davon aus, dass z. Zt. 50.000 Menschen pro Jahr in
ter Form erhältlich und werden über KITopen elektro- Europa und in den USA an den Folgen von Antibiotikare-
nisch zugänglich sein. sistenzen sterben. Trotz ihres unbestreitbaren Nutzens
sowohl in der Human- als auch in der Veterinärmedizin,
3.2 In Arbeit befindliche, im Jahre 2020 hat der übermäßige Einsatz von Antibiotika weitreichen-
abgeschlossene* und neu begonnene de Auswirkungen auf die Umwelt. In den letzten Jahren
Forschungsprojekte ist die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen insbeson-
Die 2020 in den Forschungsschwerpunkten Wasserquali- dere in der aquatischen Umwelt zunehmend in den Fo-
tät, Wassertechnologie, Biologische Abwasserreinigung kus der Forschung gerückt.
und Biologische Grenzflächen bearbeiteten Projekte sind Unter anderem gelangen Antibiotika durch behandeltes
in Tabelle 3.1 aufgeführt. Abwasser oder durch Abfluss von Gülle, die zur Düngung
Im Folgenden werden zwei der in Tabelle 3.1 aufge- auf landwirtschaftlich bewirtschafteter Fläche aufge-
führten Projekte ausführlicher vorgestellt. Sie befassen bracht wird, in Flüsse oder Seen. In einem vorangegange-
sich mit der Evaluierung der Verbreitung von Anti- nen Projekt am Engler-Bunte-Institut, Teilinstitut Wasser-
biotika und Antibiotikaresistenzgenen in der Um- chemie und Wassertechnologie, konnte gezeigt werden,
welt und der Nutzung von Membranverfahren zur dass die die Resistenzen codierenden sogenannten Anti-
Aufreinigung entsprechender hochbelasteter Ab- biotikaresistenzgene durch ihre Bindung an Abwasser-
wässer. partikel ebenfalls durch den Kläranlagenablauf in die
88 gwf-Wasser | Abwasser 06 | 2021FACHBERICHT aquatische Umwelt eingetragen werden (Brown et al. 2019). Umstritten ist allerdings, welches Phänomen, Ein- trag von Antibiotika oder Antibiotikaresistenzgenen, den Hauptanteil an der Verbreitung der Antibiotikaresisten- zen trägt. Zahlreiche wissenschaftliche Studien deuten darauf hin, dass Antibiotika in subinhibitorischen Konzentrationen ver- schiedene Mechanismen auslösen, die zur Entstehung und Verbreitung von Antibiotikaresistenzen führen. Andererseits ist nicht geklärt, ob die in der aquatischen Umwelt gemes- senen Konzentrationen, sowohl in der Wassersäule als auch in den Sedimenten, hoch genug sind, um diese Mechanis- Bild 3.2: Fließschema zum Analysenverfahren von Antibiotika in men in den Mikroorganismen zu initiieren. Möglicherweise Sediment- und Wasserproben; PLE (Pressurized Liquid Extracti- kann die Adsorption einiger Antibiotika an Flusssedimenten on, beschleunigte Lösemittelextraktion), SPE (Solid-Phase zu einer lokalen Akkumulation der Stoffe führen. Extraction, Festphasenextraktion), LC-MS/MS (Flüssigkeitschro- Antibiotika treten in der Größenordnung von ng/L in Ober- matographie gekoppelt an die Tandem-Massenspektrometrie). flächengewässern und in ng/g in Sedimenten auf. Auf- grund der geringen Konzentrationen und der komplexen Matrix ist die quantitative Bestimmung eine analytische He- rausforderung und bedarf einer aufwendigen Probenvor- wässer, angewendet (Bild 3.3). Dadurch soll der Verbleib, bereitung (siehe Bild 3.2). Die bereits am Institut entwickel- die Verteilung und Persistenz der Antibiotika in den ver- te analytische Methode zur Bestimmung von Antibiotika in schiedenen Umweltkompartimenten Wassersäule und Wasserproben wurde auf 19 verschiedene Stoffe erweitert Sediment untersucht werden. und um ihre Bestimmung in Flusssedimenten ergänzt. Durch eine Probenvorbereitung mittels Festphasenext- Die entwickelten analytischen Methoden wurden im raktion (Solid-Phase Extraction, SPE) werden die Antibio- Rahmen einer Feldstudie in der Alb, ein die Stadt Karlsru- tika an einem Adsorbens angereichert und störende he durchziehendes und als Vorfluter genutztes Fließge- Matrixbestandteile entfernt. Mit organischen Lösemit- Bild 3.3: Einleitung des Kläranlagenablaufs (links im Bild) in die Alb (rechts). www.gwf-wasser.de 89
FACHBERICHT
Bild 3.4: Probenahmestelle Standort 1 (A), Probenahme (B), Schweinestall (C).
teln (z.B. Methanol) werden sie anschließend von der setzt. Die Umweltprobleme entstehen hauptsächlich,
Festphase gespült. wenn die Dosierung der auf dem Feld ausgebrachten
Bei Sedimentproben ist die Probenvorbereitung auf- Düngemittel und Gülle über dem Pflanzenbedarf liegt
wendiger, da die Antibiotika erst in eine flüssige Phase und überschüssige Nährstoffe wie Stickstoff und Phos-
überführt werden müssen. Die beschleunigte Lösemit- phor in Gewässer eingetragen werden. Dies führt zu einer
telextraktion (Pressurized Liquid Extraction, PLE) stellt erhöhten Nitratbelastung der Grundwasserspeicher und/
dabei eine vielversprechende Methode dar. In die erhitz- oder zur Eutrophierung in den Oberflächengewässern.
te Extraktionszelle wird Lösemittel bis zu einem Druck Darüber hinaus verstärkt eine weltweit steigende Nach-
von 10,34 MPa gepumpt. Nach einer Interaktionszeit von frage nach Fleisch den Einsatz von Antibiotika in der
5 bis 15 Minuten wird das Lösemittelgemisch ausgebla- Tierhaltung. Anschließend werden 90 % der verabreich-
sen. Der Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden. ten Stoffe über die Gülle ausgeschieden und können in
Um eine Wiederfindungsrate von mindestens 45 % zu die Gewässer eingetragen werden. In der Tat können
erzielen, ist eine Optimierung der Extraktionsparameter überhöhte Einträge von Antibiotika zur Entwicklung anti-
wie die Art des Lösemittels, die Temperatur und die An- biotikaresistenter Bakterien führen. Antibiotikaresistenz-
zahl an Extraktionszyklen notwendig. gene (ARG) können auch direkt über die Gülle in die
Die quantitative Bestimmung erfolgt mittels Flüssigkeits- Umwelt eingetragen werden.
chromatographie gekoppelt an die Tandem Massen- Vor diesem Hintergrund bieten Membranverfahren eine
spektrometrie (LC-MS/MS). Durch eine Messung können gute Alternative für eine weitergehende Behandlung von
alle 19 Antibiotika erfasst werden. Die LC-MS/MS stellt Schweinegülle. Im Rahmen des Projektes KompaGG-N
ein sehr sensibles Analyseverfahren mit Nachweisgren- werden Schweinegülle und Gärreste im Pilotmaßstab mit
zen im unterem ng/L-Bereich dar. Mikrofiltration (MF) behandelt und eine Nährstoffrückge-
winnung angestrebt. Das Permeat der MF wird zur weite-
[1] Brown, P.C.; Borowska, E.; Schwartz, T.; Horn, H.: Impact of the
particulate matter from wastewater discharge on the abun-
dance of antibiotic resistance genes and facultative pathoge-
nic bacteria in downstream river sediments. Science of The
Total Environment 649, 1171-1178, 2019. https://doi.or-
g/10.1016/j.scitotenv.2018.08.394.
Zweistufige Aufreinigung von Schweinegül-
le und Gärresten mit Membranverfahren
Prantik Samanta, Harald Horn, Florencia
Saravia; Förderung: Bundesministerium für Bil- Bild 3.5: Rückhalt der 0,2 µm Mikrofiltration bei Schweinegül-
dung und Forschung (BMBF, 02WQ1516D) le (Standort 1). TSS: gesamte suspendierte Feststoffe; CSB:
Chemischer Sauerstoffbedarf; DOC: gelöster organischer Koh-
Gülle ist ein unvermeidbares Nebenprodukt der Tierhal- lenstoff; DTN: gesamter gelöster Stickstoff.
tung und wurde in der Vergangenheit als Dünger einge-
90 gwf-Wasser | Abwasser 06 | 2021FACHBERICHT
ren Entfernung von Antibiotika und ARG mit Nanofiltrati-
onsmembranen nachbehandelt. Damit können Membran-
verfahren einen wichtigen Beitrag zur Verringerung des
Eintrags von Antibiotika und ARG in die Umwelt leisten.
Verschiedene Proben flüssiger Schweinegülle wurden im
Jahr 2020 von zwei verschiedenen Schweinezuchtbetrie-
ben (Standorte 1 und 2, siehe Bild 3.4) in Baden-Würt-
temberg genommen und charakterisiert. Weiterhin wur-
de eine Gärrestprobe an einem Standort (Standort 3) in
Niedersachsen untersucht.
Die erste Filtrationsstufe (MF) wurde sowohl mit kerami-
schen als auch mit polymeren MF-Membranen durchge-
führt. Die keramische MF-Membran im Pilotmaßstab er-
reichte eine TSS-Verringerung (Total Suspended Solids: Bild 3.6: Gesamtzahl von gemessenen ARG in unbehandel-
gesamte suspendierte Feststoffe) von mehr als 98 %. Der ter Gülle und Permeat aus der Nanofiltration (NF270). S1:
Phosphatrückhalt lag bei 82 % (Bild 3.5). Die CSB-Reduk- Standort 1; S2: Standort 2; S3: Standort 3.
tion (Chemischer Sauerstoffbedarf) durch die MF betrug
ca. 80 %. Frühere Studien ergaben eine ähnliche CSB-Re-
tention während der MF. Die Permeabilität der Membran Guthausen, G.: Investigation of transverse relaxation rate
nahm über die ersten Stunden schnell ab und erreichte distribution via magnetic resonance imaging: Impact of
ein stabiles Niveau bei ca. 30 L/(m2 h bar). Der schnelle electrode formation. Energy Technology 2000579, 1-8, 2020.
Rückgang ist darauf zurückzuführen, dass ein Teil der zu- [4] Bogler, A.; Packman, A.; Furman, A.; Gross, A.; Kushmaro, A.;
Ronen, A.; Dagot, C.; Hill, C.; Vaizel-Ohayon, D.; Morgenroth,
rückgehaltenen Bestandteile die zu Beginn in der Mem-
E.; Bertuzzo, E.; Wells, G.; Kiperwas, H.R.; Horn, H.; Negev, I.;
bran vorhandenen freien Poren schnell verblockt, was Zucker, I.; Bar-Or, I.; Moran-Gilad, J.; Balcazar, J.L.; Bibby, K.;
den Erwartungen entspricht. Elimelech, M.; Weisbrod, N.; Nir, O.; Sued, O.; Gillor, O.; Alva-
In den Proben aus verschiedenen Standorten wurden rez, P.J.; Crameri, S.; Arnon, S.; Walker, S.; Yaron, S.; Nguyen,
neben den Antibiotika auch verschiedene ARG nach- T.H.; Berchenko, Y.; Hu, Y.; Ronen, Z.; Bar-Zeev, E.: Rethinking
wastewater risks and monitoring in light of the COVID-19
gewiesen. Insgesamt wurden 67 (Gülle, Standort 1), 63
pandemic. Nature Sustainability, doi: 10.1038/s41893-020-
(Gülle, Standort 2) und 50 (Gärrest, Standort 3, siehe 00605-2, 2020.
Bild 3.6) verschiedene ARG, die zu acht verschiedenen [5] Brown, P.C.; Borowska, E.; Peschke, R.; Schwartz, T.; Horn, H.:
Antibiotika-Gruppen gehörten, quantifiziert. Die Mem- Decay of elevated antibiotic resistance genes in natural river
bran NF270 konnte mehr als 99 % der untersuchten sediments after sedimentation of wastewater particles. Scien-
ARG entfernen. Allerdings war der Rückhalt von spezifi- ce of the Total Environment 705, 135861, 2020.
schen ARG niedriger als erwartet: 6 ARG aus der Amino- [6] Fengler, C.; Arens, L.; Horn, H.; Wilhelm, M.: Desalination of sea-
glycosid-AB-Gruppe und 4 ARG aus der Tetracyc- water using cationic poly(acrylamide) hydrogels and mechani-
cal forces for separation. Macromolecular Materials and En-
lin-Gruppe wurden mittels der NF270-Membran ledig- gineering 305 (10), 2000383, 2020.
lich zu 95 bis 99 % entfernt und wurden im Permeat
[7] Gierl, L.; Stoy, K.; Faíña, A.; Horn, H.; Wagner, M.: An open-source
nachgewiesen. Selbst wenn der Größenausschluss als robotic platform that enables automated monitoring of repli-
der dominierende Mechanismus zur ARG-Entfernung cate biofilm cultivations using optical coherence tomography.
durch NF-Membranen vermutet wird, zeigen die Er- npj Biofilms and Microbiomes 6 (1), 18, 2020.
gebnisse, dass der Transport von ARG durch NF-Mem- [8] Guo, T.; Ji, Y.; Zhao, J.; Horn, H.; Li, J.: Coupling of Fe-C and aero-
branen noch nicht vollständig verstanden ist. Ein de- bic granular sludge to treat refractory wastewater from a
membrane manufacturer in a pilot-scale system. Water Rese-
taillierter Beitrag zur Behandlung von Gülle mit Mem-
arch 186, 116331, 2020.
branverfahren wird in energie wasser-praxis, Ausgabe
[9] Hackbarth, M.; Jung, T.; Reiner, J.E.; Gescher, J.; Horn, H.; Hille-Rei-
6+7 (2021), erscheinen. chel, A.; Wagner, M.: Monitoring and quantification of bioelectro-
chemical Kyrpidia spormannii biofilm development in a novel
flow cell setup. Chemical Engineering Journal 390, 124604, 2020.
3.3 Veröffentlichungen [10] Ibrahim, M.; Rudszuck, T.; Kerdi, B.; Krämer, S.; Guthausen, G.;
Veröffentlichungen in „peer-reviewed“ Powell, A.K.: Comparative NMR relaxivity study of polyoxome-
Fachjournalen und Buchbeiträge talate-based clusters [Mn4(H2O)2(P2W1SO56)2]16- and
[2] Ali, R.; Saravia, F.; Hille-Reichel, A.; Härrer, D.; Gescher, J.; Horn, [{Dy(H2O)6}2Mn4(H2O)2(P2W15O56)2]10- from 20 MHz to 1.2 GHz.
H.: Enhanced production of propionic acid through acidic hy- Applied Magnetic Resonance, doi: 10.1007/s00723-020-01267-
drolysis by choice of inoculum. Journal of Chemical Technolo- 1, 2020.
gy & Biotechnology, doi:org/10.1002/jctb.6529. [11] Kaysan, G.; Spiegel, B.; Guthausen, G.; Kind, M.: Influence of
[3] Balbierer, R.; Seegert, P.; Herberger, S.; Wetzel, T.; Nirschl, H.; shear flow on the crystallization of organic melt emulsions – A
www.gwf-wasser.de 91Sie können auch lesen
