Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Der Bestimmung von Leitparametern in Echtzeit kommt eine erhebliche Bedeutung f\u00fcr die Kontrolle und Regelung der komplexen Prozesse in industriellen Kl\u00e4ranlagen zu. Auch die St\u00e4rkung des prozessintegrierten Um-weltschutzes verlangt eine \u00dcberwachung industrieller Prozesse, um optimale Verweilzeiten und die Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte zu vereinen. Diese Philosophie wird zuk\u00fcnftig von eminenter Bedeutung im Bereich der Reinigung kommunaler und industrieller Abw\u00e4sser werden, da aufgrund der schwierigen Finanzsituation der Kommunen ein Aus- und\/oder Neubau von Kl\u00e4ranlagen zunehmend Probleme aufwirft. Um eine gleich-bleibend hohe Qualit\u00e4t des gekl\u00e4rten Wassers zu erreichen erscheint es daher sinnvoll, die vorhandenen Kapazit\u00e4ten durch Optimierung der Prozesskontrolle zu nutzen.
\nZiel dieses Projektes war die Entwicklung eines Analysenger\u00e4tes zur Bestimmung von wichtigen Parametern in Kl\u00e4rwerksprozessen. Das Ger\u00e4t sollte aufgrund der ermittelten Messergebnisse eine r\u00fcckgekoppelte Regelung von Prozessparametern wie Bel\u00fcftung, Zulaufmenge und Verweilzeit erm\u00f6glichen, und damit einen wichtigen Beitrag zum \u00f6konomischen Betrieb von Kl\u00e4ranlagen leisten.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZum Erreichen des Projektziels wurden verschiedene Einzelschritte definiert, die von den Partnern durchgef\u00fchrt und miteinander abgestimmt wurden. Ein Teil Bestand in der Anpassung eines bestehenden Liquid-Handling Systems an die Gegebenheiten des Kl\u00e4rwerksprozesses. Durch Anpassung der Software sollte das System zun\u00e4chst so modifiziert werden, dass die derzeit in der Kl\u00e4rwerks\u00fcberwachung zum Einsatz kommenden photometrischen Verfahren automatisiert durchgef\u00fchrt werden k\u00f6nnen.
\nEin zweites Teilprojekt sieht die Entwicklung von Sensoren f\u00fcr NO2-, NO3- und NH4+ vor. Diese Sensoren werden an die Fluidik des Analysesystems als auch an die speziellen Anforderungen der Proben aus dem Kl\u00e4r-werksprozess angepasst.
\nDie Bereitstellung von Schl\u00fcsselenzymen f\u00fcr die zu entwickelnden Biosensoren war ein drittes Teilvorhaben. Die Aktivit\u00e4t biologischer Selektivit\u00e4tselemente sowie die Bereitstellung der Enzyme ist von grunds\u00e4tzlicher Bedeutung f\u00fcr die erfolgreiche Entwicklung von Biosensoren, jedoch auch f\u00fcr eine verl\u00e4ssliche Verf\u00fcgbarkeit zur Sensorproduktion.
\nEin weiteres Teilvorhaben umfasste die Entwicklung neuer Algorithmen zur Kl\u00e4rwerkssteuerung und deren Integration in die Analysatorsoftware.
\nDie w\u00e4hrend der Projektlaufzeit erhaltenen Ergebnisse sollten in einen Prototyp einflie\u00dfen, der im Versuchsmessstand des LSU getestet werden k\u00f6nnte.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Das im Rahmen dieses Projektes eingesetzte und weiterentwickelte Online-Analysensystem OLGA basiert auf der Methode der sequentiellen Injektionsanalyse. Wichtige Vorteile des aus der Bioprozesskontrolle stammenden Analysators sind ein signifikant verringerter Aufwand f\u00fcr die Probenfiltration und der Verzicht auf wartungsintensive Peristaltikpumpen. Durch die freie W\u00e4hlbarkeit des Injektionsvolumen kann ein Analysenzyklus an die Probekonzentration und die spezifische Sensoraktivit\u00e4t angepasst werden. Zun\u00e4chst wurde das Analysenger\u00e4t f\u00fcr die automatisierte Durchf\u00fchrung von genormten photometrischen Verfahren erweitert. In Laborversuchen an Standard- und Realproben wurde die Eignung des Systems f\u00fcr den photometrischen Nachweis von Phosphat und Ammonium gezeigt.
\nIm weiteren Verlauf des Projektes wurden planar strukturierte amperometrische Chemo- und Enzymsensoren zum Nachweis von Nitrat, Nitrit, Ammonium und Phosphat als Funktionsmuster hergestellt, betreffs ausgew\u00e4hlter Parameter optimiert und auf ihre Funktionseigenschaften untersucht. In Labormessungen von Ammonium in Realproben konnte gezeigt werden, dass amperometrische Messungen im sequentiellen Injektionssystem bei einem Probevolumen von nur 20 \u00b5l eine gute Korrelation zu Standardk\u00fcvettentests aufweisen. Die als Grundlage der Sensorstrukturierung zur Anwendung kommende polymere Dickschichttechnik gestattet dabei zum einen die reproduzierbare Herstellung der anvisierten Sensoren, zum anderen ist prinzipiell auch die Massenherstellung zu einem g\u00fcnstigen Preis m\u00f6glich.
\nDie r\u00fcckgekoppelte Regelung komplexer Prozesse erfordert Expertenwissen, das in entsprechende Modelle und Regelungsalgorithmen einflie\u00dft. Aufbauend auf den bereits vorhandenen Hard- und Softwareentwicklungen des Analysators wurden entsprechende Regelalgorithmen entwickelt und in Kooperation mit den Partnern in die Steuersoftware integriert. Die Untersuchung komplexerer Regelalgorithmen, welche die simultane Verf\u00fcgbarkeit der aktuellen Konzentrationswerte mehrerer Leitparameter in optimaler Weise nutzen, erfolgte noch separat, da lediglich f\u00fcr das spezifische Mess- und Regelproblem ben\u00f6tigte Module in die Analysatorsoftware integriert werden.
\nF\u00fcr Messungen mit amperometrischen Sensoren wurde ein spritzwassergesch\u00fctzter Prototyp des Analysators konstruiert, der mit einem integrierten Rechner direkt am Kl\u00e4rbecken einsetzbar sein sollte. Messungen in der Versuchsanlage des LSU zeigten, dass bis zur Anwendbarkeit des Analysensystems unter realen Feldbedingungen noch weitere Entwicklungen notwendig werden. So ist zum Beispiel das Auswerteprogramm des Online-Analysenger\u00e4tes gegenw\u00e4rtig noch auf wissenschaftliche Untersuchungen w\u00e4hrend der Entwicklungsphase des Ger\u00e4tes ausgerichtet. F\u00fcr die sp\u00e4tere Praxiseinf\u00fchrung ist es notwendig, auch ungeschulten Kr\u00e4ften den einfachen Umgang zu erm\u00f6glichen. Anregungen aus den Versuchsmessungen flossen in die Konstruktion der Prototypen ein, wie etwa eine Leitf\u00e4higkeitskontrolle, die Messfehler durch Luftblasen weitestgehend verhindert und eine Warnung bei leeren Reagenzbeh\u00e4ltern erlaubt.
\nF\u00fcr den Online-Einsatz der getesteten Ger\u00e4tekombination ist die Filterstandzeit von gro\u00dfer Bedeutung. Es konnte gezeigt werden, dass sich die eingesetzte Querstromfiltration prinzipiell sehr gut f\u00fcr die Anwendung in der Kl\u00e4rwerksanalytik eignet. Weitere Optimierungen bez\u00fcglich der Gestaltung der Fluidik innerhalb des Filtrationsmoduls und der Gr\u00f6\u00dfe der Filterfl\u00e4che werden die Standzeit der Filtrationstechnik verl\u00e4ngern.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
1.\tC. Kurzawa, W. Schuhmann, L. Wang, H. Orth, I. Schwendtke, H. Gerberding, H. Stadler, B. Gr\u00fcndig, GIT Labor-Fachzeitschrift 45 (2001) 156-160. Kontinuierliche Bestimmung von Ammoniumionen in Kl\u00e4rwerksprozessen mittels sequentieller Injektionsanalyse.
\n2.\tC. Kurzawa, A. Hengstenberg, W. Schuhmann, in Technische Systeme f\u00fcr Biotechnologie und Umwelt – Biosensorik und Zellkulturtechnik (D. Beckmann, M. Meister, S. Heiden, R. Erb, eds.) Initiativen zum Umweltschutz, Bd. 41, E. Schmidt Verlag, Berlin, 2002, ISBN 3 503 06645 4. Immobilisierung von Enzymen durch elektrochemisch induzierte Abscheidung von Polymeren. S. 131 – 135.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das durch die DBU gef\u00f6rderte Verbundprojekt hat in h\u00f6chst erfolgreicher Weise die Expertise der involvierten Partner vereint und die Anpassung und Weiterentwicklung eines sequentiellen Online-Analysensystems an die speziellen Bedingungen der Kl\u00e4rwerksanalytik erm\u00f6glicht. Die Nutzung des entwickelten Analysensystems erlaubt eine signifikante Erh\u00f6hung der Messfrequenz bei wesentlich geringeren Kosten und damit die Etablierung einer Echtzeit-Regelung des Kl\u00e4rwerks. Die im Rahmen des Projektes entwickelten Sensoren f\u00fcr die relevanten Parameter in der Kl\u00e4rwerksanalytik werden in naher Zukunft weiter verbessert und von der Fa. Senslab schlie\u00dflich am Markt angeboten werden. Aus der Arbeitsgruppe ELAN der Ruhr-Universit\u00e4t Bochum wurde die Fa. Sensolytics ausgegr\u00fcndet, deren Gesch\u00e4ftsziel der Verkauf von an spezielle Messprobleme angepassten Online-Analysensysteme ist. Damit werden die im Rahmen des Verbundprojektes etablierten Ergebnisse weiter an die Gegebenheiten des Marktes angepasst werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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