Wirkung von elektrischen Feldern auf Zellmembranen
Elektrische Felder finden in der modernen Biotechnologie breite Anwendung. Die Grundlagenforschung
beschäftigt sich mit den biophysikalischen und biochemischen Auswirkungen elektrischer Felder (Wechsel- und Gleichstromfelder) auf Zellen und Gewebe. In der Biotechnologie ist das Verfahren der Elektroporation zur Einschleusung fremder Erbsubstanz in Bakterien- oder Pflanzenzellen weit verbreitet.
Mit Hilfe eines elektrischen Feldes (> 10.000 V) ist es möglich, die Zellmembran von Zellen stark zu komprimieren. Übersteigt diese Kompression die elastische Widerstandskraft der Membran [Kopplow et al., 2004 ], kommt es zur Bildung einer Pore. In Abhängigkeit von der Art und Stärke des elektrischen Feldes ist diese Pore in der Zellmembran klein und reversibel, so dass nach kurzfristiger Einschleusung fremden Erbmaterials ein Weiterleben der Zelle möglich ist, oder es entsteht eine irreversible größere Pore, die zur Zerstörung der Zellmembran und dadurch zum Absterben der Zelle führt.
Wie bereits oben erwähnt, wird die Elektroporation bisher hauptsächlich im Labor zur Manipulation von Zellen zwecks Beeinflussung deren Erbsubstanz genutzt. Die gezielte Zerstörung von Zellen durch das Anlegen elektrischer Felder findet jedoch auch zunehmende technische Bedeutung. So gibt es bereits Elektroporationsgeräte zur Haltbarmachung von Lebensmitteln oder zur Desinfektion von Trink- oder Schwimmbadwasser, zur Entkeimung von Luft oder zur Entfernung bzw. Vermeidung von Biofilmen. (Dr. Strunkheide)
Bei der elektrokinetischen Desintegration wird Schlamm und Substrat einem hohen elektrischen Feld ausgesetzt. Dadurch werden Zellverbände (Cluster) aufgetrennt. Die hohen Feldstärken bewirken eine Veränderung der Ladungsanordnung in der Zelle. Durch die ständige Positionsänderung der Zelle im Rohrleitungssystem erfährt die Zelle eine dauernde Feldstärkenänderung. Die Ladungen in der Zelle müssen kontinuierlich neu angeordnet werden – dies erhöht den Effekt der Zelldestabilisierung zusätzlich. Der zu behandelnde Schlamm – am besten dazu geeignet ist der entwässerte Überschussschlamm – durchfließt ein spezielles Rohrleitungssystem, in dem ein Hochspannungsfeld im Kilovolt- Bereich anliegt (zwischen 10 und 100 KV – in Sonderfällen auch darüber).
Anlagenbeispiel:
Beschreibung der elektrokinetische Desintegration von Schlämmen in Kläranlagen
Das Problem:
Die anaerobe Schlammbehandlung in biologischen Kläranlagen nutzt das vorhandene Substrat zur Energiegewinnung
nur teilweise aus. Zuviel des vorhandenen (Energie)-Substrats verbleibt ungenutzt gebunden im Faulschlamm. Dieser muss dann teuer entsorgt werden. Das Faulraumvolumen wird nicht optimal genutzt. Die mögliche Faulgasausbeute wird bei Weitem nicht erreicht. Die schlechte Entwässerbarkeit des Faulschlamms (z.B. durch EPS [Extrazelloläre-Polymer- Substanzen] verursacht) sorgt ebenfalls für hohe Kosten (Flockungshilfsmittel, Menge usw.).
Die Desintegration:
Unter der Desintegration versteht man im Allgemeinen die Zerkleinerung von Zellverbänden, bzw. Zellen durch äußere Einwirkung (physikalisch, chemisch oder thermisch – ebenso kombiniert). Zellverbände werden aufgelöst und die Zellmembranen geschwächt bzw. zerstört. Die nachfolgenden Schritte der anaeroben Schlammbehandlung laufen dadurch schneller und mit höherem Wirkungsgrad (Steigerung der Gasausbeute) ab, die ausgefaulte Schlammmenge wird reduziert. Neben der besseren Verfügbarkeit des zur Gasproduktion benötigten Kohlenstoffs wird das in den Zellverbänden gebundene Zellzwischenwasser freigesetzt. Dadurch wird der Entwässerungsgrad des Faulschlamms erhöht. Extrazelluläre Polymere Substanzen (EPS), wie sie vermehrt bei der biologischen Phosphatelimination auftreten können, werden durch die Desintegration zerstört. Die Entwässerungsfähigkeit des Schlamms wird gesteigert. Der Verbrauch an Flockungshilfsmitteln (Chemie) sinkt.
Aber:
Bisherige Verfahren zur Desintegration benötigen sehr viel Energie und haben u.U. sogar eine negative Energiebilanz.
Das Verfahren:
Bei der elektrokinetischen Desintegration wird Schlamm einem hohen elektrischen Feld ausgesetzt. Dadurch werden Zellverbände (Cluster) aufgetrennt. Die hohen Feldstärken bewirken eine Veränderung der Ladungsanordnung in der Zelle. Durch die ständige Positionsänderung der Zelle im Rohrleitungssystem erfährt die Zelle eine dauernde Feldstärkenänderung. Die Ladungen in der Zelle müssen kontinuierlich neu angeordnet werden – dies erhöht den Effekt der Zelldestabilisierung zusätzlich. Der zu behandelnde Schlamm – am besten dazu geeignet ist der entwässerte Überschussschlamm – durchfließt ein spezielles Rohrleitungssystem, in dem ein Hochspannungsfeld im Kilovolt- Bereich anliegt (zwischen 10 und 100 KV – in Sonderfällen auch darüber).
Die Leistung:
Der Aufschlussgrad richtet sich nach der Kontaktzeit des Schlamms im elektrischen Feld, der Schlammbeschaffenheit, der Temperatur und der angelegten Spannung.
Durch die elektrokinetische Desintegration konnte bisher eine Steigerung des Gasanfalls in der Spitze von 30% erreicht werden. Ebenso reduziert sich die Faulzeit im Faulbehälter, freie Kapazitäten werden gewonnen. Bedingt durch den höheren organischen Abbaugrad und der größeren Menge an Faulgas, kann der der Schlammanfall um bis zu 15% vermindert werden. Eine Reduktion des Flockungshilfsmittels bei der Schlammentwässerung ist ebenfalls möglich. Dies ist auf den geringeren organischen Anteil im Faulschlamm zurückzuführen. Die Viskosität des Schlamms verbessert sich ebenso, der Schlamm ist pumpfähiger. Energiekosten für Pumpen sinken.
Die Kosten:
Die Investitionskosten liegen deutlich unter den der derzeit verfügbaren Desintegrationsverfahren (chemische-, physikalische- oder thermische Verfahren, wie zum Beispiel Ultraschall,
Lysatgeschirr, Prallstrahlverfahren). Die weit größeren Vorteile liegen bei den geringen Betriebskosten. Die Differenz zwischen Energieeintrag und Energiegewinn ist sehr groß. Ein Sensor verbraucht ca. 35 W/h. Der Nettoenergiegewinn liegt deutlich über dem Energieverbrauch der Anlage. Wartungs- und Verschleisskosten können bei der elektrokinetischen Desintegration unberücksichtigt bleiben, da keine Verschleißteile vorhanden sind.
Die Amortisationszeit der Desintegrationsanlage liegt i.d.R. unter zwei Jahren.
Die Einsatzmöglichkeiten
Neben der Behandlung von Überschussschlamm gibt es eine Reihe weiterer Einsatzgebiete für die elektrokinetische Desintegration:
• Zur Schlammreduktion
– im Umwälzschlamm
– im Rücklaufschlamm
– im Primärschlamm)
• Zur Fadenbekämpfung
– in der Belebung, im Faulbehälter
• Zur Polymereinsparung
– in der Schlammentwässerung
• Zur Schlammkonditionierung
– in der Schlammentwässerung
• Zur Verbesserung der Entwässerbarkeit
– im Nacheindicker
– in der Schlammentwässerung
• Zur CO-Vergärung im Faulbehälter
Neben dem Einsatz auf Kläranlagen wird die elektrokinetische Desintegration ebenfalls in Biogasanlagen eingesetzt.
Beispiel Desintegrationsanlage Stadt KA 25.000 EW;
Vorher:
Vor Inbetriebnahme der Überschussschlammdesintegration
Energiebedarf der 0 KW/d Desintegrationsanlage:
Gaserzeugung: 750 m³/d
Energieerzeugung: 1.500 KWel./d
Schlammanfall (4,5%): 30 m³/d
Entsorgungskosten 450 €/d
komplett*:
* angesetzt 15 €/m³ incl. Entwässerung, Transport, Entsorgung
Nachher:
Nach Inbetriebnahme der Überschussschlammdesintegration
Energiebedarf der 50 KW/d Desintegrationsanlage (incl. Beschickungspumpe 2,2 KW/h):
Verbrauch Desintegration: 30 W/h)
Gaserzeugung: 950 m³/d
Energieerzeugung: 1.900 KWel./d
Nettoenergiegewinn: 350 KWel./d
Schlammanfall (4,5%): 25 m³/d
Entsorgungskosten 375 €/d komplett*:
Ersparnis Schlamm: 75 €/d 27.500 €/a
Strommehrproduktion: 70 €/d 25.000 €/a
Investition: 50.000 €
Amortisationszeit: < 1 Jahr
