Gasmessung im BMP-Test: manometrische und volumetrische Methoden sowie GC

Im BMP-Test wird die Biogasproduktion mit drei Haupttechniken gemessen: manometrisch (Druckanstieg in der geschlossenen Flasche), volumetrisch (Volumen der verdrängten Flüssigkeit oder Gaszähler) sowie in Systemen mit automatischen Gaszählern; die Gaszusammensetzung wird mit einem Gaschromatografen (GC) oder Sensoren bestimmt. Alle Methoden erfordern eine Umrechnung auf Normbedingungen (0 °C, 101,325 kPa, trockenes Gas), und ein Ergebnis ohne diese Korrektur ist nicht belastbar.

Manometrische Methode

Eine Flasche mit bekanntem Nutzvolumen wird verschlossen und der Druckanstieg mit einem Manometer oder Sensor gemessen. Periodisch wird überschüssiges Gas abgelassen (bei einem Druck, der den aus der Festigkeit der Flaschen und aus der Löslichkeit von CO₂ resultierenden Wert nicht überschreitet). Das Gasvolumen wird aus dem idealen Gasgesetz berechnet: n = pV/(RT) und anschließend auf Normbedingungen umgerechnet. Vorteil: günstig und einfach. Nachteile: Der Einfluss der Löslichkeit von CO₂ wächst mit dem Druck; bei hohem Druck verbleibt ein Teil des CO₂ in der Flüssigkeit, was das Gasvolumen verringert, jedoch nicht für Methan gilt, das sich schlecht löst.

Volumetrische Methode

Das Gas aus der Flasche strömt in einen Messzylinder mit Sperrflüssigkeit (z. B. angesäuertes Wasser mit begrenzter CO₂-Löslichkeit) oder in einen Gaszähler. Die Verschiebung der Flüssigkeit zeigt das Volumen an. Vorteil: direkte Ablesung in Millilitern. Nachteile: Einfluss der CO₂-Löslichkeit in der Sperrflüssigkeit, vom Luftdruck abhängige Ablesungen, Arbeitsaufwand.

Automatische Gaszähler

Systeme mit Blasenzählzellen (Tipping Cell) oder mit Durchflusssensoren erfassen das Gas in Echtzeit, oft nach der Passage durch eine Hydroxidlösung, die CO₂ bindet (dann wird direkt CH₄ gemessen). Diese Methoden bieten eine gute zeitliche Auflösung und erlauben den Aufbau einer kinetischen Kurve, erfordern jedoch Kalibrierung und Dichtheitskontrolle, und die alkalische Lösung muss ausgetauscht werden.

Analyse der Gaszusammensetzung

Gasproben werden mit einer dichten Spritze durch das Septum entnommen. Jeder Messreihe sollten Kalibrierstandards vorausgehen.

Umrechnung auf Normbedingungen

V₀ = V × (p − p_H₂O) / 101,325 × 273,15 / T, wobei V — gemessenes Volumen, p — Druck (kPa), p_H₂O — Wasserdampfdruck bei der Messtemperatur, T — Temperatur (K).

Beispiel: Es wurden 120 mL dampfgesättigtes Gas bei 38 °C und p = 101,3 kPa abgelesen. Der Wasserdampfdruck bei 38 °C beträgt ≈ 6,6 kPa. V₀ = 120 × (101,3 − 6,6)/101,325 × 273,15/311,15 ≈ 120 × 0,9347 × 0,8779 ≈ 98,5 mL. Das Auslassen der Korrektur für Wasserdampf und Temperatur würde ein um ca. 20% überhöhtes Ergebnis liefern.

Standardisierte Berechnungsmethoden

Die offene Sammlung „Standard BMP Methods“ (DBFZ), betreut von der Autorengruppe der BMP-Leitlinien, enthält gesonderte Berechnungsbeschreibungen für die volumetrische, die manometrische, die gravimetrische und die auf der Gasdichte beruhende Methode. Sie berücksichtigen die Gaszusammensetzung im Kopfraum, Volumenänderungen beim Gasablassen und die aus der Flasche entfernte Gasmenge. Der auf einer Gasbilanz beruhende Ansatz ist genauer als die einfache Multiplikation des Volumens mit dem CH₄-Anteil aus einer einzelnen GC-Messung, insbesondere wenn sich die Zusammensetzung im Zeitverlauf ändert. Die Untersuchung von Hafner u. a. (2020) zeigt wiederum, wie groß die Bedeutung einer korrekten Verarbeitung und Eingabe der Daten für die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ist.

Häufigste Fehler

1. Undichte Verschlüsse (Septum, Stopfen) — Gas entweicht, Ergebnis zu niedrig.
2. Auslassen des Wasserdampfs — Ergebnis zu hoch.
3. Fehlende Korrektur um die Blindprobe (Produktion aus dem Inokulum allein).
4. Falsche Bezugstemperatur (z. B. Raumtemperatur statt Inkubationstemperatur).
5. Unterschiedliche Normbedingungen (0 °C vs. 20 °C vs. 15 °C) in der Ergebniszusammenstellung — im Bericht immer prüfen.
6. Messung an der Flasche während des Schüttelns.

Checkliste für das Labor

• Dichtheitsprüfung der Flaschen vor Beginn,
• Kalibrierung der Manometer/Gaszähler und des GC,
• Aufzeichnung von Luftdruck und Temperatur bei jeder Ablesung,
• Dokumentation der Häufigkeit des Gasablassens,
• ausdrückliche Angabe der Formeln im Bericht.

Die Gasmessung ist im Prinzip einfach, doch gerade die Umrechnungen und die Dichtheit sind für einen großen Teil der Streuung der Ergebnisse zwischen Laboren verantwortlich.

Beispiel zur Methanberechnung aus GC

Angenommen, aus der Flasche wurde Gas mit einem Volumen von 60 mL unter Normbedingungen (nach Korrektur) abgelassen, und die GC-Analyse ergab 62% CH₄ im trockenen Gas. Das Methan beträgt 60 × 0,62 = 37,2 mL. Enthielt die Flasche 1,00 g VS Substrat und lieferte die Blindprobe (für dieselbe Inokulummenge) 8,0 mL CH₄, beträgt das Nettoergebnis 29,2 NmL CH₄/g VS für diese Ablesung, und das kumulierte Ergebnis erhält man durch Aufsummieren der folgenden Ablesungen. In standardisierten Methoden wird zudem das im Kopfraum verbliebene Methan und seine Änderung zwischen den Messungen berücksichtigt.

Praktische Hinweise

Messen Sie das Gas nicht unmittelbar nach der Entnahme der Flaschen aus dem Inkubator — die Abkühlung verändert den Druck. Halten Sie die gleiche Reihenfolge der Messungen ein und notieren Sie die Zeit. Lassen Sie bei hohen Ablesungen das Gas häufiger ab, um hohen Druck und erhöhte Löslichkeit von CO₂ zu vermeiden.

Wahl der Methode nach Zweck

Für Routineuntersuchungen von Substraten genügt eine gut geführte manometrische Methode mit periodischem Gasablassen und GC-Analyse. Für kinetische Untersuchungen, bei denen die zeitliche Auflösung wichtig ist, sind automatische Systeme besser geeignet. Für Forschungsarbeiten mit Spurengasen (H₂S, H₂) ist ein GC mit entsprechenden Detektoren unerlässlich. Unabhängig von der Wahl sollte das Labor die Wiederholbarkeit an der Cellulose-Kontrolle nachweisen und Kalibrierungen dokumentieren.