Wie man Methan im BMP-Test berechnet: Standardberechnungen und Erkenntnisse aus der Studie von Hafner u. a. (2020)

Das Ergebnis eines BMP-Tests hängt nicht nur von der Biologie ab, sondern auch von der Art der Berechnung. Eine korrekte Berechnung erfordert die Umrechnung des Methanvolumens auf trockenes Gas unter Normbedingungen (0 °C, 1013 hPa), die Berücksichtigung von Wasserdampf, von Volumenänderungen des Gasraums nach dem Ablassen von Gas und, je nach Messmethode, der Löslichkeit von CO₂ und CH₄ in der Flüssigkeit. Diese Regeln sind in den offenen Dokumenten der 200er-Reihe der Sammlung „Standard BMP Methods“ (DBFZ) beschrieben, die von der Autorengruppe der BMP-Richtlinien betreut wird. Die zugehörige Ringstudie zwischen Laboren (Hafner u. a. 2020, Water 12(6), 1752) ist kein Berechnungshandbuch: Sie zeigt, dass Fehler bei der Datenverarbeitung und Dateneingabe zu den wesentlichen Quellen der Streuung zwischen den Laboren gehörten und dass Vereinfachungen Unterschiede in der Größenordnung von einigen bis zu mehr als zehn Prozent ergeben können.

Drei grundlegende Messtypen

Umrechnung auf Normbedingungen

Aus der Gleichung des idealen Gases:

n = p·V / (R·T), wobei p der Partialdruck des trockenen Gases (nach Abzug des Wasserdampfdrucks) ist, V — das Volumen des Gasraums, T — die Temperatur in Kelvin.

Volumen unter Normbedingungen: V_N = n · 22,414 L/mol (für 0 °C, 1013,25 hPa).

Beispiel (Annahmen zur Veranschaulichung): Gasraum 300 mL (0,300 L), nach 5 Tagen ist der Druck gegenüber dem Anfangsdruck um 400 hPa gestiegen, Temperatur 37 °C (310,15 K). Wasserdampf ist bereits zu Beginn vorhanden, daher betrifft der Druckanstieg das trockene Gas. Bei R = 83,14 hPa·L/(mol·K): Δn = Δp·V/(R·T) = 400 × 0,300 / (83,14 × 310,15) ≈ 0,00465 mol. Unter Normbedingungen: 0,00465 × 22.414 mL/mol ≈ 104 NmL Gas. Bei einer Zusammensetzung von 65% CH₄ sind das ca. 68 NmL Methan. Würde jemand den gesamten Druck ohne Abtrennung des Wasserdampfs (ca. 6% des Gesamtdrucks bei 37 °C) berechnen, wäre das Ergebnis überhöht. Die Abfolge ist immer dieselbe: Δp → Δn → V_N → CH₄-Anteil aus der GC.

Häufige Fehler

1. Vernachlässigung des Wasserdampfs. Bei 37 °C macht der Wasserdampf etwa 6% des Gesamtdrucks aus; seine Vernachlässigung überhöht das Volumen des trockenen Gases.
2. Falsches Gasraumvolumen. Es ist nicht gleich dem Nennvolumen der Flasche; es hängt vom Flüssigkeitsvolumen ab. Es ist zu messen oder genau zu berechnen.
3. Vernachlässigung der Löslichkeit von CO₂. Bei höherem pH verbleibt ein Teil des CO₂ als Hydrogencarbonat in der Flüssigkeit, was den Druck senkt; Methan ist deutlich schlechter löslich, und die Korrektur ist meist gering, bei genauen Vergleichen aber von Bedeutung.
4. Fehlende Berücksichtigung der Gaszusammensetzung beim Ablassen. Das nach der Messung abgelassene Gas nimmt Methan mit; dieses muss für jeden Messpunkt anhand der GC berechnet werden.
5. Verwendung unterschiedlicher Normbedingungen (0 °C vs. 20 °C vs. 25 °C) ohne Angabe.
6. Ungenaue Kalibrierung der Drucksensoren und der GC.

Praktische Empfehlungen

• Führen Sie die Berechnungen in einer Tabelle oder einem Skript durch, das einer veröffentlichten Methode entspricht, und überprüfen Sie es anhand von Referenzdaten (z. B. dem Ergebnis der Cellulose).
• Notieren Sie bei jeder Messung Druck, Temperatur, Volumen des abgelassenen Gases und die Zusammensetzung.
• Berechnen Sie die kumulierte Methanproduktion als Summe der Zuwächse unter Berücksichtigung des entfernten Methans.
• Berichten Sie das Ergebnis zusammen mit der Beschreibung der Konvention (trockenes Gas, 0 °C, 1013 hPa).

Unterschiede zwischen den Methoden

In der Studie von Hafner u. a. (2020) mit mehr als dreißig Laboren wurde gezeigt, dass sich bei Anwendung verschiedener Messmethoden (u. a. manometrischer, volumetrischer und gravimetrischer) sehr ähnliche BMP-Werte erzielen lassen, die manuellen manometrischen und volumetrischen Methoden aber eine negative Verzerrung der Ergebnisse aufwiesen. Eine wichtige Rolle spielten auch Fehler bei der Datenverarbeitung und Dateneingabe, und ein erheblicher Teil der Streuung ließ sich keinem der untersuchten Faktoren zuordnen (vermutlich ergab er sich aus den individuellen Praktiken der Labore oder Techniker). Deshalb ist die Harmonisierung von Messungen, Berechnungen und Validierung so wichtig.

Checkliste für die Tabelle

• [ ] Normbedingungen definiert.
• [ ] Wasserdampf berücksichtigt (Funktion der Temperatur).
• [ ] Gasraumvolumen für jede Flasche bestimmt.
• [ ] Löslichkeit von CO₂ im Rahmen der Unsicherheit oder explizit berücksichtigt.
• [ ] Abgelassenes Methan in die Summe einbezogen.
• [ ] Test an Cellulose entspricht dem Kriterium.

Validierung der Berechnungstabelle

Prüfen Sie die Tabelle an Referenzdaten: Nehmen Sie bekannten Druck, bekanntes Volumen und bekannte Zusammensetzung an, berechnen Sie das Ergebnis von Hand und vergleichen Sie. Testen Sie Extremfälle (niedriger und hoher Druck, verschiedene Inkubationstemperaturen). Speichern Sie nach jeder Änderung der Formeln eine Version der Tabelle. Diese einfache Disziplin beseitigt den Großteil der systematischen Fehler, die sonst erst im Vergleich zwischen Laboren zutage treten.

Kumulierte Kurven

Neben dem Endwert ist die gesamte Kurve der kumulierten Produktion wichtig. Erst sie erlaubt es, kinetische Modelle anzupassen und die Lag-Phase zu beurteilen. Notieren Sie an jedem Messpunkt, wie viel Gas abgelassen wurde und welche Zusammensetzung es hatte, damit die Kurve reproduzierbar ist.

Wann Unterschiede relevant sind

Bei einer einzelnen Bestimmung kann ein Unterschied von einigen Prozent gering erscheinen, doch bei Abrechnungen (z. B. mit einem Substratlieferanten) oder bei Vergleichen zwischen Serien wird er bedeutsam. Die Vereinheitlichung der Berechnungen ist das günstigste Mittel zur Begrenzung der Streuung; sie erfordert nur Disziplin und eine gut geprüfte Tabelle.