Electrochemical enzyme-based biosensor array for monitoring of organic acids and ethanol in biogas processes

Angesichts des stetig steigenden Energiebedarfs und der unvermeidbaren Erschöpfung fossiler Brennstoffe, gewinnt der weitere Ausbau an erneuerbaren Energien immer mehr an Bedeutung. Biomasse kann dabei in vielfältiger Weise einen entscheidenden Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung leisten. Für eine effziente Gewinnung von Biogas durch anaerobe Vergärung organischer Stoffe sind jedoch einige Verbesserungen innerhalb der Wertschöpfungskette erforderlich. Insbesondere eine zuverlässige Prozessüberwachung ist unerlässlich, um stabile Prozessbedingungen und damit einen wirtschaftlichen Betrieb von Biogasanlagen zu gewährleisten. Ein Indikator für Prozessstörungen stellt dabei unter anderem die Konzentration von verschiedenen Zwischenprodukten dar, die während des anaeroben Fermentationsprozesses gebildet werden. Bislang werden dabei vor allem die Konzentrationen an flüchtigen organischen Fettsäuren (z.B. Acetat und Propionat) als wichtige Prozessgrößen erachtet, während anderen organischen Säuren und Alkoholen in der Regel weniger Bedeutung zugesprochen wird. Da diese Intermediate jedoch zentrale Bausteine in der Methanogenese darstellen, könnte eine schnelle sensorbasierte Erfassung dieser Metabolite die Prozesssteuerung von Biogasanlagen positiv beeinflussen. In Rahmen dieser Arbeit wurde ein enzymbasiertes elektrochemisches Biosensorarray zum simultanen Nachweis von D-Lactat, L-Lactat, Formiat und Ethanol entwickelt. Das amperometrische Detektionsprinzip basiert auf jeweils zwei Enzymen: einer analytspezifischen NAD+-abhängigen Dehydrogenase und einer Diaphorase aus Clostridium kluyveri. Letztere wandelt das Substrat Fe(CN) 63- in Fe(CN)64- um, welches durch Oxidation an einer polarisierten Elektrode einen analytabhängigen Strom erzeugt. Die entsprechenden Enzyme wurden mittels chemischer Quervernetzung mit Glutaraldehyd auf Dünnschichtelektroden aus Platin immobilisiert. Das Signal des Biosensors wurde hinsichtlich Enzymbeladung, Konzentration an Glutaraldehyd und Cofaktoren (NAD+ und Fe(CN)63-), pH-Wert und Temperatur optimiert. Untersuchungen der Arbeits- undLagerstabilität zeigten, dass eine mehrfache und langfristige Anwendung möglich ist. Die spezifische Nachweis eines Analyten wird bei Biosensoren durch das biologische Erkennungselement gewährleistet. Messungen in realen Proben sind jedoch anfällig für Interferenzen durch andere elektroaktive Substanzen in der Probenlösung. Aus diesem Grund wurde zunächst der Einfluss von verschiedenen potenziell störenden Verbindungen auf das Sensorsignal untersucht; dabei konnte gezeigt werden, dass eine simultane Detektion von vier verschiedenen Analyten durchgeführt werden kann. Im weiteren Verlauf wurde die Funktionalität des Biosensorsystems unter realen Bedingungen getestet. Zu diesem Zweck erfolgte die Quantfizierung von D-Lactat, L-Lactat, Formiat und Ethanol in verschiedenen Fütterungssubstraten (Mais-, und Zuckerrohrsilage) und gespikten Fermentationsproben, die aus drei industriellen Biogasanlagen entnommen wurden. Die dabei bestimmten Konzentrationen zeigten eine gute Übereinstimmung zur konventionellen Referenzanalytik mittels Photometrie und Gaschromatographie. Im Gegensatz zum Biosensorarray, ist für die zuverlässige Anwendung dieser Methoden in der Regel eine aufwendige Probenvorbereitung notwendig, da diese Messsysteme klare und partikelfreie Proben erfordern. Weitere Nachteile dieser Form der Prozesskontrolle sind der Zeitverzug zwischen Probennahmen und Analytik in externen Laboren und die hohen Analysekosten. Für einen Zeitraum von zwei Montaten erfolgte erstmalig die Langzeit�uberwachung eines Biogasreaktors im Labormaßstab (0,01m3) mit dem Biosensorarray. Das Monitoring umfasste standardmäßige Parameter wie die Biogasproduktion, Methanausbeute, pH-Wert und Temperatur, sowie die Detektion der organischen Säuren und Ethanol durch das entwickelte Biosensorsystem. Im Verlauf dieser Untersuchung konnte gezeigt werden, dass diese zusätzlichen Messdaten dazu beitragen können, Veränderungen im Fermentationsprozess zu erkennen und so potentiell auch frühzeitig Prozessstörungen detektiert werden können. Um eine bessere praktische Anwendung des Biosensorarrays zu ermöglichen, wurden die beiden erforderlichen Cofaktoren zusammen mit den Enzymen auf der Sensoroberfläche von Dickfilmelektroden aus Kohlenstoff immobilisiert. Durch die Modifikation mit Graphenoxid konnte ein reagenzfreies Biosensorsystem etabliert werden, das mittels Dickschichttechnik kostengünstig hergestellt werden kann. Solche Einweg-Teststreifen könnten zukünftig für das Monitoring von Biogasanlagen genutzt werden, um vor Ort auf schnelle und unkomplizierte Weise die Konzentration an mehreren wichtigen Zwischenprodukten zu bestimmen.