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.

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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