Umweltbiotechnik

Übersichtsplan zur Vorlesung

Umweltbiotechnik  (Technische Umweltmikrobiologie)

A.      Ziel der Lehrveranstaltung:

In der Lehrveranstaltung soll deutlich werden, welche Möglichkeiten es gibt, die Stoffumsatzleistungen von Mikroorganismen auch für technische Zwecke zu nutzen und zu optimieren. Darauf basierend sollen die wichtigsten biotechnischen Verfahren vorgestellt werden, die bei der Reinigung und Aufbereitung von Umweltmedien angewandt werden. Außerdem wird auf die Möglichkeiten zur Substitution umweltbelastender Verfahren durch Biotechnik eingegangen.

B.      Literatur:

  • Antranikian, G., Hrsg. (2005) Angewandte Mikrobiologie, Springer Verlag
  • Janke, D. (2008), Umweltbiotechnik. UTB 40.-€
  • Kämpfer, P. (2013) Biologische Behandlung organischer Abfälle, Springer 65.-€
  • Kunst, S. (2013) Betriebsprobleme auf Kläranlagen durch Blähschlamm, Schwimmschlamm, Schaum, Springer Verlag 170.-€
  • Madigan et al. (2015): Brock Biology of Microorganisms Addison-Wesley 76,50 €
  • Mudrack, K., Kunst, S. (2009) Biologie der Abwasserreinigung. Spektrum Akad. Verlag  63.-€
  • Rosenwinkel, K.H. et al. (2014) Anaerobtechnik: Abwasser-, Schlamm- und Reststoffbehandlung, Biogasgewinnung Springer Vieweg 200.-€
  • Sahm, H. et al. (2013) Industrielle Mikrobiologie. Springer Spektrum.
  • Wagner, R.(Hrsg.): Methoden zur Prüfung der biochemischen Abbaubarkeit chemischer Substanzen, VCH Weinheim, 1988
  • Ansonsten aktuelle Fachzeitschriften

C.      Gliederung der Vorlesung 

1.      Einführung LV-Thema und Organisation,

  • Begriffe, Definitionen: Umweltbiotechnik nach-/vorsorgender Umweltschutz,
  • Charakteristische Ziele und Prozessparameter in der UBT: RZA, Substrat, Mikroorganismen, Verfahren, Produkte…
  • Literatur, Formalia, Referate …

2.      Substrate in der Umweltbiotechnik

  • Nährstoffe, Zehrstoffe, Schadstoffe
  • Substrat-Zusammensetzung, Substratkonzentrationen, adäquate Technik
  • Parameter zur Substratcharakterisierung, Methoden zur Substratuntersuchung

3.      Mikroorganismen als Leistungsträger in der Umweltbiotechnik

  • Selektion und Funktionsprinzipien von Organismengemeinschaften
  • Zustandsformen und Vorkommen von Mikroorganismen bzw. Mischkulturen: planktonisch, Belebtschlammflocke, Biofilm,..
  • Rolle von Spezialkulturen in der Umweltbiotechnik
  • Methoden zum Monitoring von Mischpopulationen und Spezialkulturen
  • Mikroorganismen als troublemaker: z.B. Blähschlamm, pathogene Organismen

4.      Spezielle Leistungen von Mikroorganismen:
Abbau  von Fremdstoffen (Xenobiotika)

  • Mechanismen des aeroben und anaeroben Abbaus organischer Fremdstoffe: Oxygenierung, Ringspaltung, reduktive Dechlorierungen, radikalische Oxidation, cometabolische Transformationen …
  • Beispiele für den Abbau aliphatischer und aromatischer Kohlenwasserstoffe, organischer Chlorverbindungen, Abbau von Cyaniden  sowie die Transformation von Schwermetallen und anderen anorganischen Fremdstoffen

 

5.      Methoden zur Messung der biochemischen Abbaubarkeit von
Umweltchemikalien

  • Testprinzipien und ihre biologischen Grundlagen (CSB/BSB, TOC/DOC, CO2…)
  • Einfluss der Versuchsbedingungen (Medium, Inokulum, Konzentration..)
  • Interpretation der Testergebnisse; Abbautests in Normen und Verordnungen
  • Kurzbeschreibung verschiedener Testverfahren: Zahn-Wellens-Test, Sturm-Test; OECD-confirmatory Test….

6.       Microbial Communities wachsen – Leistung verändert sich

  • Wachstum durch Zweiteilung von Zellen, Beschreibung als Wachstumskinetik
  • Methoden der Wachstumsmessung allgemein und in Umweltmedien
  • Abhängigkeit der Wachstumsrate von der Substratkonzentration
  • Abhängigkeit der Abbauleistung von der Organismendichte
  • Prinzipien von Chemostat und kontinuierlicher Kultur, Rolle von maintenance energy und Rücklaufschlamm

7.      Optimierung von Stofftransport und Belüftung durch Einsatz von
Bioreaktoren

  • Bioverfügbarkeit von Sauerstoff und Nährstoffen
  • Stofftransport über kurze, lange Strecken:
  • Bioreaktortypen: Batch-Reaktoren, überströmter Biofilm, Submersreaktoren mit aktiver Durchmischung; Raum-Zeit-Ausbeuten

8.      Beispiele biotechnischer Verfahren im Umweltschutz   …

  • Biologische Abwasserreinigung: aerobe Reinigung von kommunalen und industriellen Abwässern; Möglichkeiten der weitergehenden Abwasserreinigung (N, P)
  • Anaerobe Abwasserbehandlung und Klärschlammausfaulung: einstufige / zweistufige Verfahren, Methanausbeuten, Nachbehandlung…….
  • Biologische Boden-, Abfall- und Abluftreinigung: Reinigungsverfahren für die ungesättigte Bodenzone (Landfarming, Mieten, Bodenreaktor), Kompostierung von Bio- und Grünabfällen, Biowäscher/Biofilter.
  • Biologische Grundwasserreinigung und Trinkwasseraufbereitung: in situ-Verfahren zur Grundwasserbehandlung, Enteisenung/Entmanganung
  • Substitution umweltbelastender Produktionsverfahren durch Biotechnik: Möglichkeiten, Grenzen; z.B. Ethanolproduktion, Bioleaching

D.      Prüfungsleistung

  • Schriftliches und mündliches Einzel-Referat (min. 15, max. 20 min Vortrag + 5 min Diskussion; Text max. 8 Seiten inkl. Abb./Tab/Lit, 1,5 zeilig, Times12, rechts min. 3cm Rand )
  • Teilnahme an mind. 2/3 der LV Termine