Reaktionskinetische und wachstumsphysiologische Untersuchungen an freien und immobilisierten Nitrifizierern:
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Braunschweig
Bundesforschungsanst. für Landwirtschaft
1998
|
| Schriftenreihe: | [Landbauforschung Völkenrode / Sonderheft]
186 |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss. |
| Beschreibung: | X, 235, 54 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 3933140064 |
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| adam_text | AUS DEM INSTITUT FUER TECHNOLOGIE DER BUNDESFORSCHUNGSANSTALT FUER
LANDWIRTSCHAFT BRAUNSCHWEIG-VOELKENRODE (FAL) REAKTIONSKINETISCHE UND
WACHSTUMSPHYSIOLOGISCHE UNTERSUCHUNGEN AN FREIEN UND IMMOBILISIERTEN
NITRIFIZIERERN VON THOMAS WILLKE AUS WENDEBURG LANDBAUFORSCHUNG
VOELKENRODE, SONDERHEFT 186 (1998) INHALT INHALT 1 EINLEITUNG 1 1.1 DER
GLOBALE STICKSTOFFKREISLAUF 1 1.2 NITRIFIKATION - BEGRIFFSKLAERUNG UND
GRUNDLAGEN 5 1.2.1 ALLGEMEINES 5 1.2.2 TAXONOMIE 6 1.2.3
AMMONIAK-OXIDIERER 7 1.2.3.1 ELEKTRONENTRANSPORT IN NITROSOMONAS 7
1.2.3.2 PROTONENTRANSLOKATION UND ATP-GEWINNUNG 8 1.2.3.3 ALTERNATIVE
SUBSTRATE DER AMMONIAK-OXIDIERER 8 1.2.3.4 BILDUNG VON N 2 O UND NO
(DENITRIFIKATION) 10 1.2.4 NITRIT-OXIDIERER 11 1.2.4.1
ELEKTRONENTRANSPORT IN NITROBACTER 11 1.2.4.2 DIE ROLLE VON
STICKSTOFFMONOXID (NO) IM STOFFWECHSEL VON NITROBACTER 13 1.3
NITRIFIKATION ALS GEGENSTAND DER FORSCHUNG 14 1.3.1 EIN GESCHICHTLICHER
UEBERBLICK 14 1.3.2 AKTUELLE ENTWICKLUNGEN 16 1.4 ZIELSETZUNG DER
VORLIEGENDEN ARBEIT 17 2 MATERIAL UND METHODEN 19 2.1 ANALYTIK 19 2.1.1
HOCHLEISTUNGS-FLUESSIGKEITS-CHROMATOGRAPHIE (HPLC) 19 2.1.1.1 BESTIMMUNG
VON NITRIT UND NITRAT 19 DISKONTINUIERLICHE PROBENAHME UND VERDUENNUNG 20
QUASI-ON-LINE-BESTIMMUNG UEBER MIKROFILTRATION 20 ON-LINE-HPLC AM
MIKROREAKTOR 20 2.1.1.2 BESTIMMUNG VON AMMONIUM 21 2.1.2
GAS-CHROMATOGRAPHIE (GC) 22 MESSUNG VON N 2 O, CO 2 , O 2 UND N 2 IM
FERMENTER-ABGAS 22 2.1.3 BERECHNUNG VON GELOEST-GASKONZENTRATIONEN AUS
DEN PARTIALDRUECKEN 24 2.1.3.1 GUELTIGKEITSBEREICH DES HENRY-GESETZES 25
2.1.3.2 TEMPERATURABHAENGIGKEIT DER GASLOESLICHKEIT 26 2.1.3.3 EINFLUSS DES
SALZGEHALTES AUF DIE GASLOESLICHKEIT 27 2.1.4 ENTWICKLUNG EINER METHODE
ZUR IN-SITU-MESSUNG VON AMMONIUM 29 2.1.4.1 DER AMMONIAK-GASSENSOR 29
2.1.4.2 EINSATZ DES SENSORS UNTER PHYSIOLOGISCHEN BEDINGUNGEN 30 2.1.4.3
ANSPRECHZEIT DES SENSORS 31 2.1.4.4 KINETISCHE MESSUNGEN IM
0.5-L-TESTREAKTOR (BATCH) 32 KALIBRIERUNG IM NICHTLINEAREN BEREICH DER
KENNLINIE 32 ZWEI-PUNKT-KALIBRIERUNG IM LINEAREN BEREICH DER KENNLINIE
33 EIN-PUNKT-KALIBRIERUNG BEI BEKANNTER STEILHEIT 33 2.1.4.5
IN-SITU-MESSUNG DER AMMONIAK-KONZENTRATION WAEHREND DER KONTINUIERLICHEN
FERMENTATION 34 MEHR-PUNKT-KALIBRIERUNG UNTER BATCH-BEDINGUNGEN 35
ZWEI-PUNKT-KALIBRIERUNG DURCH PH-SHIFT IM CHEMOSTATEN 36
EIN-PUNKT-KALIBRIERUNG DURCH EXTERNE AMMONIAK-BESTIMMUNG 38 2.1.5
ENTWICKLUNG EINER METHODE ZUR ON-LINE-MESSUNG VON NITRIT 39 2.1.5.1
THEORETISCHE GRUNDLAGEN 39 VI INHALT 2.1.5.2 KALIBRIERUNG 40 2.1.5.3
QUEREMPFINDLICHKEIT FUER NITRAT : 41 2.1.6 WEITERE PHOTOMETRISCHE
METHODEN 43 2.1.6.1 CO 2 -MESSUNG IN FERMENTER-ABLUFT DURCH
INFRAROTSPEKTROSKOPIE 43 2.1.6.2 MESSUNG DER OPTISCHEN DICHTE (OD 420 )
44 2.1.6.3 PROTEIN-BESTIMMUNG NACH LOWRY 45 2.1.7 GRAVIMETRISCHE
METHODEN 46 2.1.7.1 BESTIMMUNG DER BIOTROCKENMASSE (BTM) 46 2.1.7.2
INDIREKTE BESTIMMUNG VON VOLUMENSTROEMEN (FLUESSIGKEITEN) 46 2.1.7.3
KALIBRIERUNG VON KOLBENHUB-PIPETTEN UND TITRATOR-BUERETTEN 46 2.1.8
SONSTIGE MESSMETHODEN 47 2.1.8.1 TEMPERATUR-MESSUNG 47 2.1.8.2 PH-MESSUNG
47 2.1.8.3 MESSUNG DES GELOESTEN SAUERSTOFFS 48 2.1.8.4 MESSUNG DES
GELOESTEN KOHLENDIOXIDS 50 2.1.8.5 MESSUNG DES REDOXPOTENTIALS 50 2.1.8.6
BESTIMMUNG DER ANZAHL UND GROESSE VON BAKTERIEN 51 2.1.9 STANDZEIT DER
ON-LINE-MESSGEBER 51 2.2 BESTIMMUNG VON SUBSTRAT-ABBAURATEN 53 2.2.1
BEZUGSGROESSEN DER SPEZIFISCHEN GESCHWINDIGKEITEN 53 2.2.1.1
BIOTROCKENMASSE 53 2.2.1.2 PROTEIN, ZELLZAHL 53 2.2.1.3
KATALYSATORFEUCHTMASSE, KATALYSATORVOLUMEN 54 2.2.2 BERECHNUNG RELATIVER
GESCHWINDIGKEITEN 54 2.2.2.1 0.5-L-TESTREAKTOR 54 2.2.2.2 SCHUETTELKOLBEN
55 2.3 ABTRENNUNG DER BIOMASSE ; 56 2.3.1 ZENTRIFUGATION 56 2.3.1.1
ZENTRIFUGATION ZUR PROBENVORBEREITUNG 56 2.3.1.2 AUFARBEITUNG VON
FERMENTERBRUEHEN 56 2.3.1.3 AUFKONZENTRIERUNG VON BIOMASSE ZUR
IMMOBILISATION 56 2.3.2 ABSATZWEISE FILTRATION 57 2.3.2.1 FILTRATION ZUR
TROCKENMASSEBESTIMMUNG 57 2.3.2.2 FILTRATION ZUR PROBENVORBEREITUNG 57
2.3.2.3 STERILFILTRATION VON LOESUNGEN 57 2.3.3 QUERSTROM-MIKROFILTRATION
57 2.4 IMMOBILISIERUNGSMETHODEN 59 2.4.1 ADSORPTION 59 2.4.1.1
VORBEREITUNG DES TRAEGERMATERIALS 59 2.4.1.2 AUFWUCHS DER BIOMASSE 59
2.4.2 EINSCHLUSS 60 2.4.2.1 ALGINAT 60 2.4.2.2 SILICON 60 2.4.2.3
EUDRAGIT 61 2.4.2.4 POLYVINYLALKOHOL (PVAL) 61 2.4.2.5
POLYCARBAMOYLSULFONAT (PCS) 61 2.4.3 REM-PRAEPARATION DER IMMOBILISATE 62
2.5 REAKTOREN UND TESTVERFAHREN 63 2.5.1 10-L-RUEHRKESSELREAKTOR ZUR
BIOMASSEPRODUKTION 63 2.5.2 1.5-L-KATALYSATORTESTSTAND 65 2.5.3
0.5-L-TESTSTAND FUER KINETISCHE UNTERSUCHUNGEN DER NITRIFIKATION 66 2.5.4
1.5-ML-MIKROREAKTOR FUER KINETISCHE UNTERSUCHUNGEN 67 2.5.5
KATALYSATORTESTS IM SCHUETTELKOLBEN 68 INHALT 2.6 KULTUR- UND TESTMEDIEN
69 2.6.1 SPURENELEMENTELOESUNGEN 69 2.6.1.1 SL-NL FUER STANDARDMEDIUM 69
2.6.1.2 SL-N2 FUER HOHE ZELLDICHTEN 69 2.6.2 STANDARD-MINERALSALZMEDIUM
STMN FUER NITRIFIZIERER 70 2.6.3 MEDIUM ZUR SELEKTIVEN BIOMASSEPRODUKTION
DER NITRIT-OXIDIERER 71 2.6.3.1 BATCH-KULTUR IN 10-L-STEILBRUSTFLASCHEN
71 2.6.3.2 KONTINUIERLICHE FERMENTATION IM 10-L-RUEHRREAKTOR 72 2.6.4
MEDIEN ZUR BIOMASSEPRODUKTION DER NITRIFIZIERER-MISCHPOPULATION 73
2.6.4.1 BATCH-FERMENTATION MIT AMMONIUMSULFAT 73 2.6.4.2
FED-BATCH-FERMENTATION MIT AMMONIAKLOESUNG 74 2.6.4.3 KONTINUIERLICHE
FERMENTATION MIT AMMONIUMSULFAT 76 2.6.4.4 KONTINUIERLICHE FERMENTATION
MIT GETRENNTER SUBSTRATVERSORGUNG 77 2.6.5 MEDIUM FUER
KATALYSATOR-LANGZEITTESTS 77 2.6.6 TESTMEDIEN FUER KINETISCHE VERSUCHE 78
2.6.6.1 LEITUNGSWASSER 78 2.6.6.2 PUFFER 78 2.7 VERWENDETE
MIKROORGANISMEN 80 2.7.1 MISCHPOPULATION 80 2.7.2 AMMONIAK-OXIDIERER 81
2.7.3 NITRIT-OXIDIERER 81 2.8 KALIBRIER-STANDARDS UND STAMMLOESUNGEN 82
2.8.1 ANIONENSTANDARDS FUER DIE HPLC 82 2.8.2 AMMONIUMSTANDARD FUER DIE
HPLC 82 2.8.3 AMMONIUMSTANDARD ZUR KALIBRIERUNG DES AMMONIAKSENSORS 82
2.8.4 PRUEFGASGEMISCH FUER DIE GC 82 2.8.5 SUBSTRATE FUER KINETISCHE
UNTERSUCHUNGEN 83 2.8.5.1 AMMONIUM 83 2.8.5.2 NITRIT 83 2.8.6
GEBRAUCHSLOESUNGEN 84 2.8.6.1 PH-INDIKATOREN 84 2.8.6.2 TESTSUBSTANZEN
FUER HEMMVERSUCHE 84 NITRAT 84 PH-PUFFER 84 SPURENELEMENTE: CO, CU, FE,
HG, MN, MO, NI, ZN, EDTA 85 ORGANISCHE LOESEMITTEL 85 CYCLOHEXIMID 85
WEITERE ZUSAETZE 85 2.9 ERMITTLUNG WACHSTUMSPHYSIOLOGISCHER UND
KINETISCHER PARAMETER 86 2.9.1 PARAMETER-ERMITTLUNG DURCH NICHTLINEARE
REGRESSION 86 2.9.2 MODELLIERUNG MIT ISIM 86 3 WACHSTUMSPHYSIOLOGIE 87
3.1 GRUNDLAGEN DES BAKTERIELLEN WACHSTUMS 87 3.1.1 EXPONENTIELLES
WACHSTUM 87 3.1.2 ERHALTUNGSSTOFFWECHSEL 87 3.1.3 INHIBIERUNG DES
WACHSTUMS 91 3.1.4 WACHSTUM MIT ZWEI SUBSTRATEN 91 3 .2 ANPASSUNG DER
WACHSTUMSMODELLE AN AUTOTROPHE NITRIFIZIERER 92 3.2.1 PRODUKTHEMMUNG DER
AMMONIAK-OXIDATION 92 3.2.2 DOPPELSUBSTRAT-WACHSTUMSKINETIK 94 3.2.3
EINFLUSS VON NITRIT AUF DIE ERTRAGSKOEFFIZIENTEN DER NITRIFIZIERER 96
3.2.3.1 NITRIT-OXIDIERER 96 VIII INHALT 3.2.3.2 AMMONIAK-OXIDIERER 97
3.3 BIOMASSEPRODUKTION AUTOTROPHER NITRIFIZIERER 99 3.3.1 PROBLEMATIK
:.:.: 99 3.3.2 VERFAHREN ZUR BIOMASSEPRODUKTION 99 3.3.2.1
BATCH-FERMENTATION 99 3.3.2.2 BATCH-FERMENTATION MIT WIEDERHOLTER
SUBSTRATZUGABE 100 3.3.2.3 FED-BATCH-FERMENTATION MIT AUTOMATISCHER
SUBSTRATZUGABE 101 PH-WERT ALS KONTROLLPARAMETER (PCFB) 101
REDOX-POTENTIAL ALS KONTROLLPARAMETER (RCFB) 101 3.3.2.4 KONTINUIERLICHE
KULTUR (CHEMOSTAT) 102 3.4 ERGEBNISSE DER DISKONTINUIERLICHEN
FERMENTATIONEN 10 4 3.4.1 BATCH-FERMENTATION DER NITRIT-OXIDIERER 104
3.4.2 BATCH-FERMENTATION DER NITRIT-OXIDIERER MIT WIEDERHOLTER
SUBSTRATZUGABE 105 3.4.3 BATCH-FERMENTATION DER
NITRIFIZIERER-MISCHPOPULATION : 108 3.4.4 BATCH-FERMENTATION DER
NITRIFIZIERER-MISCHPOPULATION MIT GESTEUERTER SUBSTRATZUGABE (FED-BATCH)
108 3.4.4.1 PRINZIP 108 3.4.4.2 WIEDERHOLTE DOSIERUNG VON AMMONIUMSULFAT
(FED-BATCH) 109 3.4.4.3 KONTINUIERLICHE VERSORGUNG MIT AMMONIAK-LOESUNG
(FED-BATCH) 111 3.5 ERGEBNISSE DER KONTINUIERLICHEN FERMENTATIONEN 117
3.5.1 NITRIT-OXIDIERER IM CHEMOSTATEN 117 3.5.2 AMMONIAK-OXIDIERER IM
CHEMOSTATEN 119 3.5.3 NITRIFIZIERER-MISCHPOPULATION IM CHEMOSTATEN 119
3.5.4 NITRIFIZIERER-MISCHPOPULATION IM CHEMOSTATEN MIT ENTKOPPELTER
AMMONIAK-VERSORGUNG 122 3.5.5 ERMITTLUNG WACHSTUMSPHYSIOLOGISCHER
PARAMETER DER NITRIFIZIERER- MISCHPOPULATION ;. 125 3.5.5.1
ERTRAGSKOEFFIZIENT UND ERHALTUNGSSTOFFWECHSEL..... 125 3.5.5.2 MAXIMALE
WACHSTUMSRATEN UND MONOD-KONSTANTEN 126 3.6 VERGLEICH DER
FERMENTATIONS-VERFAHREN UNTER WIRTSCHAFTLICHEN GESICHTSPUNKTEN 130 3.7
ZUSAMMENFASSUNG 133 4 REAKTIONSKINETIK 135 4.1 THEORETISCHE GRUNDLAGEN
DER ENZYMKINETIK 135 4.1.1 EINLEITUNG 135 4.1.2 MICHAELIS-MENTEN-KINETIK
135 4.1.3 AUSWERTUNG KINETISCHER DATEN 136 4.1.4 ERWEITERUNGEN DER
MICHAELIS-MENTEN-KINETIK 138 4.2 KINETISCHE UNTERSUCHUNGEN AN
NITRIFIZIERERN 142 4.2.1 EINFUEHRUNG 142 4.2.2 EINFLUSS VON SAUERSTOFF 142
4.2.2.1 EINLEITUNG 142 4.2.2.2 MESSTECHNISCHE PROBLEME 143 4.2.2.3
METHODEN ZUR BESTIMMUNG VON KM UND R MAX 143 ERMITTLUNG VON KM UND R MAX
DURCH NICHTLINEARE REGRESSION 143 ERMITTLUNG VON K M UND R MAX AUS
EINZELEXPERIMENTEN 146 4.2.2.4 SAUERSTOFF-KINETIK DER
NITRIFIZIERER-MISCHPOPULATION 147 4.2.3 EINFLUSS VON AMMONIAK 150 4.2.3.1
AMMONIUMABBAU DURCH DIE NITRIFIZIERER-MISCHPOPULATION 150 4.2.3.2
SUBSTRATPROBLEMATIK DER AMMONIAK-OXIDIERER 152 4.2.3.3 SUBSTRATHEMMUNG
DER AMMONIAK-OXIDIERER 155 4.2.3.4 HEMMUNG DER NITRIT-OXIDIERER DURCH
AMMONIAK 156 INHALT 4.2.4 EINFLUSS VON NITRIT 159 4.2.4.1
SUBSTRATPROBLEMATIK DER NITRIT-OXIDIERER 159 4.2.4.2 SUBSTRATHEMMUNG
DURCH SALPETRIGE SAEURE 160 4.2.5 EINFLUSS PHYSIKOCHEMISCHER FAKTOREN AUF
DIE KINETIK DER NITRIT-OXIDATION 163 4.2.5.1 EXPERIMENTELLES 163 4.2.5.2
EINFLUSS DES PH-WERTES 164 4.2.5.3 EINFLUSS DER TEMPERATUR 167 4.2.5.4
EINFLUSS DES MEDIUMS 170 4.2.5.5 WEITERE EINFLUSSFAKTOREN 172 PROBLEM DER
PROBENKONSERVIERUNG 172 ANORGANISCHE ZUSAETZE UND PHYSIKOCHEMISCHE
FAKTOREN 172 4.3 ZUSAMMENFASSUNG 175 4.3.1 NITRIT-OXIDIERER 175 4.3.2
AMMONIAK-OXIDIERER 176 5 IMMOBILISIERTE NITRIFIZIERER 179 5.1
DEFINITIONEN 179 5.1.1 IMMOBILISIERUNG 179 5.1.2
KATALYSATOR-KONDITIONIERUNG 180 5.1.3 KATALYSATORAUSNUTZUNGSGRAD 180
5.1.4 THIELE-MODUL, BETA, RHO 178 5.2 EINFLUSSGROESSEN DER
KATALYSATORAKTIVITAET 185 5.2.1 BIOMASSEKONZENTRATION 185 5.2.2
BIOMASSEAENDERUNG, AUFWUCHSRATE, WACHSTUM IM GEL 185 5.2.3 AUFWUCHSZEIT,
KONDITIONIERUNGSDAUER 186 5.2.4 THIELE-MODUL, KATALYSATORAUSNUTZUNGSGRAD
187 5.2.4.1 MAXIMALE REAKTIONSGESCHWINDIGKEIT 187 5.2.4.2
DIFFUSIONSKOEFFIZIENTEN 188 5.3 IMMOBILISIERUNG DURCH ADSORPTION 191
5.3.1 AUFWUCHSVERHALTEN UND KINETISCHE CHARAKTERISIERUNG 193 5.3.2
ERGEBNISSE 195 5.3.2.1 SINTERGLAS ~. 195 5.3.2.2 SCHAUMGLAS ; 197
5.3.2.3 POROESES POLYETHYLEN 200 5.4 IMMOBILISIERUNG DURCH EINSCHLUSS 203
5.4.1 KONDITIONIERUNG UND KINETISCHE CHARAKTERISIERUNG DER
EINSCHLUSS-IMMOBILISATE 205 5.4.2 ERGEBNISSE 206 5.4.2.1 SILICON 206
5.4.2.2 EUDRAGIT 210. 5.4.2.3 POLYVINYLALKOHOL (PVAL) 211 FOLIEN 212
PERLEN 214 5.4.2.3 POLYURETHAN AUF BASIS VON POLYCARBAMOYLSULFONAT
(PCS-PUR) 213 5.4.3 VERGLEICH DER WICHTIGSTEN IMMOBILISATE 220 5.5
LANGZEITTESTS UND LAGERUNGSVERSUCHE 222 5.5.1 LANGZEITTESTS 222 5.5.1.1
PVAL 222 5.5.1.2 PCS-PUR-PERLEN 223 5.5.2 LAGERUNG 224 5.6
ZUSAMMENFASSUNG 228 6. ZUSAMMENFASSUNG UND SCHLUSSFOLGERUNGEN 231 X
INHALT 6.1 ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE 231 6.2 SCHLUSSFOLGERUNGEN UND
AUSBLICK 235 7 ANHANG AI 7.1 VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN, TABELLEN UND
FORMELN AI 7.1.1 ABBILDUNGEN AI 7.1.2 TABELLEN A4 7.1.3 FORMELN A5 7.2
ABKUERZUNGEN UND FORMELZEICHEN A7 7.2.1 ABKUERZUNGEN A7 7.2.2
FORMELZEICHEN A8 7.2.2.1 ARABISCH A8 7.2.2.2 GRIECHISCH A9 7.2.2.3
INDIZIERUNG A10 7.3 BEZUGSQUELLEN ALL 7.3.1 CHEMIKALIEN UND
TRAEGERMATERIALIEN ALL 7.3.2 GERAETE ALL 7.3.2.1 ANALYTIK ALL 7.3.2.2
BIOMASSEPRODUKTION A12 7.3.2.3 AUFARBEITUNG A12 7.3.2.4 REAKTOREN,
TESTSTAENDE A13 7.3.2.5 SONSTIGE GERAETE A13 7.3.2.6 COMPUTER-HARDWARE A14
7.3.3 COMPUTER-SOFTWARE A14 7.4 PROGRAMM-LISTINGS, NOMOGRAMME A15 7.4.1
*BETAPROF A15 7.4.2 *BALANCE A26 7.4.3 *ISIM - PROGRAMME A37 7.4.3.1
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7.4.5 NH 3 /NH 4 *-GLEICHGEWICHT A41 7.5 LITERATURVERZEICHNIS N . A43
7.6 STICHWORTVERZEICHNIS A51
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