Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines Verfahrens und einer Pilotanlage zur photoautotrophen Wandlung der durch Fischzucht-Kreislaufanlagen (Aquakulturen) auftretenden Umweltbelastungen, insbesondere der eutrophierend wirkenden Nitrat-, Phosphat-, und Ammonium-Ionen in Biowertstoffe. Das auf den assimilatorischen F\u00e4higkeiten von Mikroalgen basierende, zu entwickelnde Verfahren dient ent-sprechend den F\u00f6rderzielen der Deutschen Bundesstiftung Umwelt der Realisierung von Strategien zur Ressourcenschonung, Schlie\u00dfung der Stoffkreisl\u00e4ufe Wasser und Ionen und damit zur zukunftsorientierten Verminderung von Umweltbelastungen insbesondere in der Aquakultur.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Realisierung des Projekts beinhaltet die Untersuchung von Fischzuchtwasser, den Vergleich der Eliminationsleistungsf\u00e4higkeit verschiedener Mikroalgenst\u00e4mme, die Entwicklung, Bau, Testung und Optimierung einer Pilotanlage, die den besonderen Anforderungen des kontinuierlich zu betreibenden geschlossenen Aquakultur-Kreislaufs gerecht werden muss. F\u00fcr die Untersuchungen wurden Abw\u00e4sser aus verschiedenen Fischzuchtanlagen verwendet. Neben den St\u00e4mmen Spirulina pl. (85.79 und B-433) und Chlorella v. (C-1) aus internationalen Stammsammlungen wurde der aus Fischzuchtwasser isolierte Stamm IR1, ein autoselektierter Scenedesmus sp. Stamm und Mischpopulationen f\u00fcr Eliminationsuntersuchungen genutzt. In den Versuchen wurden folgende Parameter und deren Zuwachsraten bestimmt: pH-Wert, Suspensionstemperatur, Apsorption bei 750 nm, Trockenmasse, Nitrat, Phosphat, Nitrit und stichprobenweise NH4+, CSB, Gesamtkeimzahl. Folgende Bedingungen wurden eingestellt: im Labor 18\u00b0C – 20\u00b0C, 24\u00b0C – 26\u00b0C und 30\u00b0C – 33\u00b0C, im Freiland nachts 11\u00b0C – 22\u00b0C und tags 17\u00b0C – 38\u00b0C; die pH-Werte des Fischabwassers schwankten zwischen 4,0 – 6,9; die C-Versorgung erfolgte \u00fcber eine CO2-Luft-Gemisch-Begasung kontinuierlich, bei pH<7 wurde der Anteil des CO2 zwischen 1 % - 2 %, bei pH>7 zwischen 2 % – 2,5 % bzw. 100 % CO2 variiert; als Kultivationsverfahren wurden batch-Verfahren \u00fcber 3 – 22 Tage und semikontinuierliche Kultivationen in verschiedenen Varianten des Wasseraustauschs realisiert.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Analysen der Fischzuchtw\u00e4sser zeigten, dass sich ohne Frischwasserzufuhr 5 – 11 mg\u00b7l-1.d-1 Nitrat und 0,7 – 6,6 mg.l-1\u00b7d-1 Phosphat akkumulieren. Harnstoff, Nitrit- und Ammonium-Ionen treten nur in geringen Konzentrationen im Kreislaufwasser auf. Die unzureichende bakterielle Denitrifikation soll durch die Mikroalgenkultivation erg\u00e4nzt werden.
\nAn das native Fischzucht-Kreislaufwasser mit seinen besonderen N\u00e4hrstoffbedingungen und Stressoren konnten die Spirulina pl.- und Aphanizomenon flos aquae-St\u00e4mme nicht stabil adaptiert werden. Die Chlorella sp. St\u00e4mme und deren Mischpopulation mit Scenedesmus sp. bzw. mit Microcystis sp. adaptierten sich erfolgreich. Die Wachstums- und Eliminationsraten steigerten sich im Verlauf der Adaptionszeit von mehreren Wochen um \u00fcber 100 %. Unter Nutzung vielf\u00e4ltiger Labor-Kultivationstechniken (300 ml – 2000 ml K\u00fcvetten, 2,5 l Platten- und 50 l R\u00f6hren-Photobioreaktor) konnte nachgewiesen werden,
\n–\tdass die niedrigen pH-Werte von 4-5 bei Optimierung der C02-Versorgung das Wachstum und die N\u00e4hrstoffverwertung nicht verhindern,
\n–\tdass die Wachstumsprozesse das Medium neutralisieren,
\n–\tdass sowohl Nitrat als auch Phosphat des Kreislaufwassers vollst\u00e4ndig durch Mikroalgen verwertet werden k\u00f6nnen, wobei das Phosphat zuerst verbraucht ist,
\n–\tdass in batch-Versuchen die Eliminationsraten in den ersten Versuchstagen am h\u00f6chsten sind und mit sinkender Konzentration der Ionen und steigenden Biomassekonzentrationen sinken,
\n–\tdass im batch-Versuch (Labor-Platten-PBR) 141,7 mg l-1.d-1 NO3-, 88,3 mg l-1.d-1 PO43- eliminiert werden konnten.
\nDen Laborergebnissen entsprechend wurde eine 2500 l Freiland-Pilotanlage konzipiert und gebaut. 1995 wurde die Pilotanlage erprobt, 1996 weiterentwickelt, optimiert und einem Dauertest unterzogen. Es konnte auch unter Freilandbedingungen eine biologische Wandlung von bis zu 131,8 mg.l-1.d-1 NO3- und bis zu 50,4 mg.l-1.d-1 PO43- und die Elimination bis zur Nachweisgrenze erreicht werden. Das von den anorganischen Frachten entsorgte und von der Biomasse separierte Fischzuchtwasser wurde in den Kreis-lauf zur\u00fcckgef\u00fchrt. Die aus den anorganischen Frachten gebildete Biomasse wurde geerntet, getrocknet und chemisch analysiert. Eine Nutzung im Futtermittelbereich ist entsprechend dem vorliegenden Negativ-Toxin-Attest und den analysierten Wertstoffen wie essentielle Amino- und Fetts\u00e4uren, Vitamine, biologisch gebundene Mineralstoffe zu empfehlen. Eine weitere Schlie\u00dfung des Kreislaufs ist damit m\u00f6glich.
\n1996 wurden PBR-Platten ohne Mittelsteg entwickelt, Demobilisierungsgranulate, eine automatisierte Biomasse-Ernte und Wasser-R\u00fcckf\u00fchrung in den Photobioreaktor getestet. Diese neuen technischen L\u00f6sungen erm\u00f6glichten eine kontinuierliche 130-Tage-Langzeit-Kultivation der adaptierten Mikroalgen und die entsprechende semikontinuierliche biologische Wandlung der anorganischen Frachten.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Mitarbeiter des IGV und der Fa. IBAU nahmen an Tagungen, Konferenzen und Messen zur Mikroalgenbiotechnologie und Aquakultur teil. In Vortr\u00e4gen auf dem 2 nd European Workshop Biotechnology of microalgae (Rehbr\u00fccke, 1995) und dem VDI\/MEG Kolloquium Agrartechnik (Potsdam, 1996) und mit Postern in Trondheim (1995), Wadenswil (1996) und Rehbr\u00fccke (1997) wurden die Ergebnisse ver\u00f6ffentlicht. Es wurden Prospekt- und Angebotsmaterialien erarbeitet. Eine Zusammenarbeit zur Vermarktung wurde mit der Fa. Braun Biotech und der Fa. Fischtechnik begonnen.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
–\tDie Eignung photoautotropher Prozesse zur biologischen Entfernung von anorganischen Frachten aus Aquakultur-Prozesswasser konnte im Labor- und Pilotma\u00dfstab nachgewiesen werden.
\n–\tDie entwickelte Aquakultur- und Photobioreaktor-Technik entspricht sowohl wissenschaftlichen Anspr\u00fcchen als auch Dimensionen praktischer Umsetzung.
\n–\tDie monatelange, kontinuierliche Kultivation konnte gew\u00e4hrleistet werden.
\n–\tDie mit dieser Pilotanlage erzielten Eliminationsraten von NO3- und PO4 3- sind auch unter Freilandbedingungen praxisrelevant und erlauben \u00dcberlegungen zum Technologie-Transfer.
\n–\tDie beabsichtigte Entlastung der Umwelt durch Kreislaufsysteme im Aquakulturbereich mit der projektgem\u00e4\u00dfen L\u00f6sung ist realistisch und angesichts der wachsenden Bedeutung der Aquakultur-Fischproduktion richtungsweisend.
\n–\tDas Know How auf dem Gebiet der PBR-Optimierung ist Basis f\u00fcr Entwicklungen und Anlagenbau auch auf den Gebieten der Aquakultur, Bereich Fischern\u00e4hrung, der Prozesswasseraufbereitung im landwirtschaftlichen Bereich und der biologische Reinigung CO2 – und NH3-haltiger Abluft.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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