Chelatisierung

8 März, 2024

Thomas Klein8. März 2024Fachbeiträge

Chelatisierung von Spurenelementen im Fermenter

Bedeutung der Chelatisierung und Vergleich der Wirksamkeit
von EDTA und Zitronensäure

Einführung

Spurenelemente spielen eine wichtige Rolle im Fermentationsprozess. Sie sind notwendig für das Wachstum und die Aktivität mikrobieller Kulturen. Wie der Name „Spurenelemente“ schon ausdrückt, werden diese nur in kleinen Mengen benötigt. Durch „Chelatisierung“ kann deren Wirksamkeit weiter gesteigert werden.

Dieser Artikel erklärt die Wirkung der „Chelatisierung“ und deren Bedeutung beim Einsatz von Spurenelementen im Biofermenter. Er vergleicht die Bioverfügbarkeit der standardgemäß eingesetzten Chelatisierungsmittel EDTA und Zitronensäure. Abschließend wird diese unter verschiedenen Aspekten bewertet.

Um möglichen Verwirrungen vorzubeugen, sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass für Chelatierung auch die Begriffe Maskierung bzw. Komplexierung als

Begriffe verwendet werden.

Was bewirkt Chelatisierung?

Werden Salze von Spurenelementen nur in Wasser gelöst, bilden sie leicht unlösliche Verbindungen mit Bestandteilen des Fermenterinhalts (Schwefelwasserstoff, Sulfat, Carbonat, etc.). Dadurch werden die vorhandenen Spurenelemente unwirksam.

Durch Chelatisierung⁽²⁾ werden sie „maskiert“, sie werde „unsichtbar“ gegenüber den oben genannten Stoffen. So wird die Bioverfügbarkeit von Spurenelementen im Fermenter erhalten und eine Überdosierung vermieden.

Die am häufigsten eingesetzten Chelatisierungsmittel sind EDTA und Zitronensäure, beide haben ihre Vor- und Nachteile. Während EDTA für seine Effizienz bekannt ist, bietet Zitronensäure eine umweltfreundlichere Alternative. Durch den gezielten Einsatz beider Chelatisierungsmittel lassen sich Risiken minimieren bei gleichzeitiger Maximierung des Gasertrages.

Beide Chelatisierungsmittel sind gut verfügbar und konstengünstig.

Eigenschaften von EDTA

„EDTA“ steht für eine Gruppe industriell hergestellter Chelatbildner, die effektiv bestimmte Metallionen binden können. Wegen der hohen Stabilität der Metall-EDTA Komplexe wird EDTA gerne zur Chelatisierung in Bioreaktoren eingesetzt. Eine Untersuchung der Universität Hohenheim⁽¹⁾ fand 2014 heraus, dass sich der Einsatz von Spurenelementen (bei gleichbleibendem Methanertrag) durch Zugabe von EDTA um bis zu 75% verringern ließ.

Ein Nachteil ist jedoch die schlechte biologische Abbaubarkeit von EDTA.

Vorteile:

· Bildet sehr stabile Metall-Komplexe

· Chelatisiert breites Spektrum an Metallionen

· Reduziert deutlich die Menge (Konzentration) der zuzusetzenden Spurenelemente.

Nachteile:

· Industrieller Ursprung

· Schlechte biologische Abbaubarkeit

· Mögliche Gesundheitsrisiken bei Überexposition

Eigenschaften von Zitronensäure

Zitronensäure ist eine organische Säure, die natürlich in vielen Früchten vorkommt. Großtechnisch wird sie durch Biofermentation hergestellt. Zitronensäure spielt in biochemischen Prozessen der meisten Organismen eine wichtige Rolle (Zitronensäurezyklus) und ist sehr gut biologisch abbaubar.

Sie wirkt ebenfalls als Chelatbildner, zeigt allerdings geringere Bindungsstärke zu Metallionen, was gleichbedeutend mit geringerer Stabilität im Vergleich zu EDTA ist.

Vorteile:

· Gute biologische Abbaubarkeit

· Gute Bioverfügbarkeit der komplexierten Spurenelemente

Nachteile:

· Geringere Wirksamkeit im Vergleich zu EDTA bei bestimmten Spurenelementen

Vergleich EDTA mit Zitronensäure

Der Hauptunterschied zwischen EDTA und Zitronensäure liegt in der „Komplexstärke“, also der Stabilität der gebildeten Chelate. Während EDTA stärkere und stabilere Komplexe bildet, bietet Zitronensäure den Vorteil der Umweltverträglichkeit durch biologische Abbaubarkeit.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass es Spurenelemente gibt, bei denen die Komplexstärke der Zitronensäurechelate für den Einsatz in Bioreaktoren ausreichend ist. Das ermöglicht es, den Einsatz beider Chelatbildner zu optimieren, ohne Einbußen beim Gasertrag.

FAQs

Wie wirkt sich die Chelatisierung auf die Fermentation aus?

„Chelatisierung erhöht die Bioverfügbarkeit von Spurenelementen und steigert so die Aktivität der Mikroorganismen und damit die Gasausbeute.“

Kann Zitronensäure EDTA umfassend ersetzen?

„Die Wirksamkeit von Zitronensäure ist nicht für alle Spurenelemente gleich gut. Deshalb kommt es auf den Einzelfall an, ob auf EDTA verzichtet werden kann.“

Gibt es Alternativen zu EDTA und Zitronensäure?

„Ja, es gibt andere organische Komplexbildner wie Gluconsäure Iminodibernsteinsäure (IDS) oder bestimmte Aminosäuren. Die Auswahl hängt von den spezifischen Anforderung en des Fermentationsprozesses und den gewünschten Eigenschaften des Endprodukts ab. Diese Alternativen sind allerdings auch mit höhren Kosten verbunden.“

Können alle Spurenelemente chelatisiert werden?

„Grundsätzlich ja. Allerdings hängt die Chelatbildung für die einzelnen Spurenelemente von den konkreten Bedingungen im Fermenter ab. Deshalb ist eine eine sorgfältige Analyse des Zustands des Fermenters notwendig, damit die richtigen Spurenelemente in der richtigen Menge und mit dem richtigen Chelatisierungsmittel eingesetzt werden.“

⁽¹⁾Vintiloiu, Anca; Einsatz von Spurenelementen bei der Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen in Biogasanlagen;

URN: urn:nbn:de:bsz:100-opus-9860;
URL: http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2014/986/

⁽²⁾Chelatisierung eines Metallions (wirksamer Bestandteil der Spurenelemente) bewirkt, dass die Anzahl der freien Metallionen im Fermenterinhalt verringert wird. Für die Bildung unlöslicher Verbindungen mit Schwefelwasserstoff, Carbonat oder Sulfat muss aber eine bestimmte Anzahl von freien Metallionen vorliegen. Die für die Bildung unlöslicher Verbindungen benötigte Menge an Metallionen unterscheidet sich für die einzelnen Spurenelemente. Die Mikroorganismen können kleinste Menge an Spurenelementen aufnehmen. Die Chelate liefern dann die Menge der verbrauchten Metallionen wieder nach (Massenwirkungsgesetz), deshalb beeinträchtigen sie nicht deren Wirksamkeit, sondern verbessern sie durch die Verhinderung der Bildung unlöslicher Verbindungen.

Autor: Dr. Brüne Cremer

12 Feb., 2024

Thomas Klein12. Februar 2024Fachbeiträge

Löslichkeit von Cobalt im Biogas Prozess: Ein Schlüsselelement für Effizienz und Stabilität

Einführung in die Rolle von Cobalt im Biogas-Prozess

Cobalt, ein essenzielles Mikroelement in der Biogasproduktion, spielt eine zentrale Rolle bei der Methanogenese, dem Prozess der Methanbildung. Die Löslichkeit von Cobalt ist dabei entscheidend, da sie die Verfügbarkeit dieses Schlüsselelements für die mikrobiellen Gemeinschaften im Biogasreaktor bestimmt. Trotz seiner Bedeutung wird der Bedarf an löslichem Cobalt oft unterschätzt, was zu einer suboptimalen Biogasproduktion führen kann.

Die Grenzen der herkömmlichen Spurenelementanalyse

Lange Zeit galt die Ermittlung des Gesamtinhalts an Spurenelementen als ausreichend für die Beurteilung der Nährstoffverfügbarkeit im Biogasprozess. Diese Sichtweise hat sich jedoch als unzureichend erwiesen, da sie nicht die spezifische Löslichkeit und Bioverfügbarkeit von Elementen wie Cobalt berücksichtigt. Es ist daher notwendig, über herkömmliche Methoden hinauszugehen und die löslichen Anteile direkt zu bestimmen.

Neuartige Methode zur Bestimmung des löslichen Cobalts

Die Bedeutung einer präzisen Analyse des löslichen Cobalts wird durch die Arbeit von Institutionen wie der Lufa Oldenburg unter der Leitung von Dr. Bischoff hervorgehoben. Ihre Entwicklungen, wie die eigens erstellte Hausmethode, ermöglicht eine genauere Bestimmung des löslichen Cobaltanteils und bietet damit eine solide Grundlage für die Optimierung des Biogas-Prozesses.

Quellen von Cobalt im Biogas-Prozess

Natürliche Quellen von Cobalt im Biogas-Prozess umfassen Mist, Gülle und Hühnertrockenkot. Diese Substrate können jedoch aufgrund variabler Zusammensetzungen und Behandlungsverfahren unterschiedliche Mengen an bioverfügbarem Cobalt enthalten. Zudem kann eine Unterversorgung durch geringere Zusätze in Futtermitteln entstehen, was die Notwendigkeit einer gezielten Supplementierung unterstreicht.

Cobalt als Schlüsselelement für einen stabilen Biogas-Prozess

Die Löslichkeit von Cobalt ist entscheidend für einen stabilen Biogas-Prozess. Eine ausreichende Versorgung mit löslichem Cobalt unterstützt nicht nur die Methanproduktion, sondern fördert auch die Gesundheit und Effizienz der mikrobiellen Gemeinschaften. Cobalt muss daher in einer Form zugesetzt werden, die seine Löslichkeit und Bioverfügbarkeit maximiert. Sprechen Sie uns an, wir haben genau das richtige Produkt für Sie.

Techniken zur Optimierung der Cobalt-Löslichkeit

Eine der effektivsten Methoden zur Optimierung der Cobalt-Löslichkeit ist die Chelatisierung. Durch die Bildung stabiler Komplexe kann Cobalt effizienter von den Mikroorganismen verstoffwechselt werden. Weiterhin ist die Interaktion von Cobalt mit Schwefel von Bedeutung, da diese Verbindungen Cobalt im Substrat fixieren und seine Verfügbarkeit beeinflussen können.

Fallstudien und Praxisbeispiele

Praxisbeispiele aus der Biogasbranche zeigen, wie durch gezielte Anpassungen und Supplementierungen die Cobalt-Löslichkeit erfolgreich optimiert wurde. Diese Erfahrungen bieten wertvolle Einblicke und bewährte Praktiken für Biogasanlagenbetreiber.

Die wirtschaftlichen Auswirkungen der Cobalt-Optimierung

Die Optimierung der Cobalt-Löslichkeit trägt nicht nur zur Stabilität des Biogas-Prozesses bei, sondern kann auch erhebliche wirtschaftliche Vorteile bieten. Durch die Steigerung der Methanproduktion und die Verbesserung der Prozesseffizienz können Betreiber von Biogasanlagen ihre Rentabilität signifikant erhöhen.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zur Cobalt-Löslichkeit

Warum ist Cobalt wichtig für den Biogas-Prozess?

„Cobalt ist ein essentielles Spurenelement, das für die Aktivität der Methan bildenden Mikroorganismen notwendig ist. Eine angemessene Versorgung mit löslichem Cobalt kann die Methanproduktion signifikant steigern und zur Stabilität des Biogas-Prozesses beitragen.“

Wie beeinflusst die Form von Cobalt seine Löslichkeit und Verfügbarkeit im Biogas-Prozess?

„Die Löslichkeit von Cobalt wird durch seine chemische Form beeinflusst. Cobalt, das in chelatisierter Form vorliegt, ist leichter löslich und kann effizienter von Mikroorganismen aufgenommen werden als nicht-chelatisiertes Cobalt.“

Kann die Cobalt-Versorgung durch Standard-Futtermittel ausreichend sein?

„Die Cobalt-Versorgung durch Standard-Futtermittel ist oft unzureichend für optimale Biogasproduktionsprozesse, besonders wenn Futtermittel mit geringeren Zusätzen verwendet werden. Eine gezielte Supplementierung kann erforderlich sein, um eine ausreichende Cobalt-Versorgung sicherzustellen.“

Welche Rolle spielt die Analyse von löslichem Cobalt?

„Die Analyse von löslichem Cobalt ermöglicht eine präzise Bewertung der tatsächlich verfügbaren Cobalt-Mengen für die Methanogenese. Dies ist entscheidend für die gezielte Optimierung der Spurenelementversorgung in Biogasanlagen.

Wie kann die Löslichkeit von Cobalt im Biogas-Prozess optimiert werden?

„Die Löslichkeit von Cobalt kann durch Chelatisierung und die Anpassung des pH-Werts im Biogasreaktor optimiert werden. Auch die Vermeidung von übermäßigen Schwefelverbindungen kann helfen, die Verfügbarkeit von Cobalt zu verbessern.“

Schlussfolgerung und Zusammenfassung

Die Löslichkeit von Cobalt im Biogas-Prozess ist ein entscheidender Faktor für die Effizienz und Stabilität der Methanproduktion. Eine adäquate Versorgung mit löslichem Cobalt unterstützt die mikrobielle Aktivität und fördert einen reibungslosen Ablauf des Biogas-Prozesses. Durch die Anwendung wissenschaftlicher Methoden zur Analyse und Optimierung der Cobalt-Löslichkeit können Biogasanlagenbetreiber ihre Produktion steigern und die Wirtschaftlichkeit ihrer Anlagen verbessern. Die fortlaufende Forschung und die Entwicklung neuer Technologien versprechen weitere Fortschritte in der Nutzung von Cobalt und anderen Spurenelementen, um die Biogasproduktion nachhaltiger und effizienter zu gestalten.