Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die Aquakultur stellt sich als einzige Antwort auf den wachsenden Fischkonsum und als einzige Alternative zur stagnierenden Fischerei dar. Die Zukunftstechnologie der Aquakultur, und die hier mit dem Vorhaben verfolgte Innovation, ist der Fluid-Kreislauf. Fluid-Kreisl\u00e4ufe k\u00f6nnen ohne unmittelbare Verbindung zur Umwelt betrieben werden. Bis heute konnte durch verbesserte Verfahrenstechnik und durch eine optimierte Prozesssteuerung der Wasserverbrauch sehr stark vermindert werden. Moderne Fluid-Kreisl\u00e4ufe f\u00fcr die Produktion von Fischen haben einen Wasserbedarf von weniger als einem Prozent des Kreislaufvolumens pro Tag. Die Stoffstr\u00f6me gel\u00f6ster und partikul\u00e4rer Substanzen k\u00f6nnen weitgehend voneinander getrennt und gezielt einem Recycling zugef\u00fchrt werden. Ein n\u00e4chster, entscheidender Schritt ist die Integration photoautotropher Verfahren, um die gel\u00f6sten N\u00e4hrstoffe aus dem prim\u00e4ren Fluid-Kreislauf in einem ressourcenschonenden Verfahren zur\u00fcckzugewinnen und durch die Erzeugung von zus\u00e4tzlicher Biomasse die Energiebilanz des gesamten Verfahrens zu verbessern. Die Anzucht in geschlossenen Systemen (Photobioreaktoren) ist technisch kompatibel mit einem Fluidkreislauf. Erste Versuche mit Mikroalgen-Photobioreaktoren waren grunds\u00e4tzlich erfolgreich und sollten in dem Vorhaben in ein zuverl\u00e4ssiges Verfahren umgesetzt werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Vorhaben gliederte sich in zwei gro\u00dfe Abschnitte, eine Laborphase und eine Freilandphase. Das Vorhaben begann mit einer Laborphase zur Selektion geeigneter Mikroalgen. Parallel dazu wurde in der V\u00f6lklinger Forschungshalle ein experimenteller Fluid-Kreislauf als Belastungsstufe aufgebaut und in Betrieb genommen. Notwendige Automatisierungsschritte wurden mit Hilfe von Studenten und Unterst\u00fctzung durch die HTWdS im Rahmen des Projekts ARTESS realisiert. Es folgte eine Pilotphase in der Versuchshalle in V\u00f6lklingen mit dem Betrieb von kommerziellen Flachplatten-Airlift-Photobioreaktoren. Die f\u00fcr den Betrieb notwendige Prozesswasser-Sterilfiltration wurde letztendlich mit Sachmittel- und Personalmitteln aus dem von der HTWdS gef\u00f6rderten Projekt AlgMem durchgef\u00fchrt. Zwei Verfahren zur Biomasser\u00fcckhaltung wurden erprobt, um eine optimale Biomasseproduktion und damit auch eine optimale Reinigung des Prozesswassers aus der Belastungsstufe zu gew\u00e4hrleisten. Ein energiesparendes Ernteverfahren f\u00fcr die im Prozesswasser flottierenden Mikroalgen wurde entwickelt, womit alle Verfahren f\u00fcr eine kontinuierliche Produktion von Mikroalgenbiomasse im Prozesswasser eines marinen Fischkreislaufs dargestellt waren. Durch den Wegfall der zweiten Phase aufgrund des begrenzten F\u00f6rdermittelbudgets der DBU Ende 2011 konnte der experimentelle Betrieb der Photobioreaktoren, ein Flachbett-Photobioreaktor und zwei tubul\u00e4re Photobioreaktoren, im Freiland jedoch nicht mehr realisiert werden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Aufgrund der Zellgeometrie und Robustheit wurde Nannochloropsis salina (N.s.) als geeignete Mikroalge selektiert. Bis zu einer Algenbiomasse von 0.3 g*dm-3 (Trockenmasse) zeigte N.s. keinerlei Wachstumsbegrenzungen durch die im Prozesswasser vorhandenen N\u00e4hr- und Inhaltsstoffe. Um optimale Raten bei der Entfernung der gel\u00f6sten Algen-N\u00e4hrstoffe zu erzielen, wurden jedoch h\u00f6here Zelldichten in den Photobioreaktoren angestrebt (s. u.).
\nDie Forschungs- und Entwicklungsarbeiten haben die grundlegende Machbarkeit des produktionsintegrierten Verfahrens gezeigt. Auf Basis der gel\u00f6sten Exkretionsprodukte aus einem Fluid-Kreislauf f\u00fcr die Aquakultur mariner Fische k\u00f6nnen ausreichend N\u00e4hrstoffe f\u00fcr eine intensive Produktion von Mikroalgen in einem sekund\u00e4ren Kreislauf bereitgestellt werden.
\nUnter aquakulturtypischen Bedingungen (Prozesswasser mit 100 mg N*dm-\u00b3) konnten im semikontinuierlichen Betrieb 3 g Mikroalgenbiomasse\/dm-\u00b3 im Photobioreaktor erreicht werden. Eine Vervielfachung der Zelldichte ist mittels Zellretention m\u00f6glich.
\nZellretention ist bei Verfahren mit hohen Zelldichten erforderlich, um den Prozesswasserstrom zu erh\u00f6hen und damit die Versorgung mit N\u00e4hrstoffen zu gew\u00e4hrleisten. Dabei muss die Algenbiomasse im Reaktor gehalten werden. Im Laborversuch konnte bereits gezeigt werden, dass in einer Nannochloropsis-Kultur eine Zellretention mit hydraulischen und pneumatischen R\u00fccksp\u00fclm\u00f6glichkeiten \u00fcber mehrere Wochen verblockungsfrei betrieben werden kann.
\nVersuche zur Ernte der Algenbiomasse zeigten, dass die durch Ozon unterst\u00fctzte Flotation ein energiesparendes sowie technisch geeignetes Verfahren ist, um Algen aus dem Prozess zu entfernen und die Biomasse zu ernten.
\nDer Betrieb von hochdichten FPA-Photobioreaktoren (>10 g*dm-3) im Batchverfahren wurde unter Laborbedingungen \u00fcber mehrere Monate erprobt. Die Ergebnisse brachten wichtige Hinweise zum Be-triebsmodus von Langzeitkulturen von N.s. Insbesondere zeigten sie, dass neben den N\u00e4hrstoffen Nitrat und Phosphat auch die Zufuhr von Spurenelementen von entscheidender Bedeutung f\u00fcr die Stabilit\u00e4t der Kulturen ist.
\nEine erste wirtschaftliche Machbarkeitsanalyse zeigt, dass der hier verfolgte L\u00f6sungsweg in Verbindung mit einer Energiewandlung \u00fcber Bioerdgasproduktion und einer Nutzung in einem Blockheizkraftwerk zu einer wirtschaftlichen L\u00f6sung f\u00fchren kann. <\/p>\n
F\u00fcr eine abschlie\u00dfende Entwicklung w\u00e4ren jedoch ein m\u00f6glichst ganzj\u00e4hriger Betrieb der Photobioreaktoren sowie die Nutzung von nat\u00fcrlichem Sonnenlicht notwendig gewesen. Freilanduntersuchungen mit einem tubul\u00e4ren Photobioreaktor und einem Flachplatten-Airlift Photobioreaktor, sollten mit dem Knowhow der Projektpartner IGV GmbH und SUBITEC GmbH in der zweiten Projektphase 2012 durchgef\u00fchrt und in einem Parallelprojekt vom \u00d6koinstitut in Freiburg hinsichtlich der Nachhaltigkeit bewertet werden. Durch den budgedbedingten Wegfall der zweiten Projektphase war die Bearbeitung dieser zentral wichtigen Aspekte nicht mehr m\u00f6glich. <\/p>\n
Aus Sicht der HTWdS waren die umfangreichen Vorarbeiten sowie die zus\u00e4tzlichen Investitionen der HTWdS, die get\u00e4tigt wurden, um den Projekterfolg zu garantieren, durch den Abbruch der F\u00f6rderung nur schwer zu rechtfertigen. Es war nicht m\u00f6glich, die einzelnen entwickelten Verfahren konzertiert zu untersuchen und im Zusammenspiel zu optimieren. <\/p>\n
Die Ergebnisse aus dem ersten Projektf\u00f6rderzeitraum zeigten die technische als auch wirtschaftliche Machbarkeit auf. Die Einbindung in die strategische Initiative EnALGAE der EU, f\u00fcr die die Projektergebnisse von gro\u00dfer Wichtigkeit sind, wei\u00dft dar\u00fcber hinaus auf die Bedeutung des Projektes f\u00fcr eine nachhaltige Entwicklung im Energiesektor hin. Ein erfolgreich verlaufendes Umweltprojekt wurde abgebrochen, das nicht nur die Nachhaltigkeit von Aquakulturen h\u00e4tte deutlich verbessern k\u00f6nnen, sondern Wege aufzeigt, Stoff- und Energiestr\u00f6me in Kreisl\u00e4ufen effizient zu nutzen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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