Fluid-Kreisläufe

Nachhaltige Aquakultur von Fischen, Krebstieren und Weichtieren wird in Zukunft in zunehmendem Maß in geschlossenen Systemen, in Fluid-Kreisläufen, erfolgen (Bild 1). Diese Notwendigkeit ergibt sich aus drei grundlegenden Überlegungen:

  1. Die negativen Wirkungen von konventionellen Verfahren der Aquakultur, zum Beispiel Teiche, Becken oder Netzkäfige, auf die Umwelt sind verfahrensimmanent und weitreichend.
  2. Der Einfluss der Umwelt auf Aquakulturen nimmt durch extreme Umweltereignisse, aufgrund der allgemein zunehmenden Umweltbelastung und als Folge globaler und ökosystemarer Veränderungen stetig zu.
  3. Aquakultur muss aus ethischer Sicht und zur Vermeidung von Produktionsverlusten beste Lebensbedingungen für die Organismen vorhalten, die entlang der Meeresküsten, zum Beispiel durch zu hohe Wassertemperaturen, giftige Planktonblüten oder Sauerstoffmangel, nicht mehr gegeben sind.

Bild 1: Der erste Prototyp, PISA (PolyIntegrierte Seewasser Aquakultur), eines Fluid-Kreislaufs für die Zucht mariner Organismen bei der Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH, Uetze-Eltze.

Aquakultur erfordert, um die Produktion zu optimieren, die regelmäßige und ausreichende Zufuhr von Futter. Das Futter ist industriell gefertigt und konfektioniert. Es führt in konzentrierter Form organische und anorganische Stoffe zu, die in Stoffwechselprozessen der Fische, Krebs- oder Weichtiere nur zu einem gewissen Grad verwertet werden (Bild 2). Aquakulturen sind also einerseits Stoff- und Energiesen ken durch den Stoffwechselbedarf und das Wachstum der Tiere, andererseits sind sie Quellen, da nicht verwertete Stoffe in das Wasser abgegeben werden. Das ist systemimmanent. Konventionelle Verfahren, die mit der Umwelt in Verbindung stehen, entlassen diese Stoffe in die Umwelt. Fluid-Kreisläufe moderner Bauart sind nahezu geschlossene Produktionssysteme, in denen Stoffe kontrolliert verwertet werden können. Ökosysteme werden vor Umwelteinträgen geschützt.

Bild 2: Ein vereinfachtes Stoffstromdiagramm für den Wolfsbarsch (Dicentrarchus labrax). Er wächst mit 1500 g Futter auf ein Körpergewicht von 1000 g. Für den Stoffwechsel benötigt der Fisch 450 g Sauerstoff. Als Endprodukte des Stoffwechsels verbleiben Feststoffe, Reste von Futter und Faeces, die partikulär in das Wasser abgegeben werden. Ebenso werden Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Phosphor in gelöster Form abgegeben.

Unter den Bedingungen der Aquakultur ist die Stoff-wechselaktivität der Tiere, die Futteraufnahme, der Sauerstoffverbrauch und die Exkretion maximal. Im künstlichen Lebensraum, das Prozesswasser in einem Fluid-Kreislauf, akkumulieren partikuläre und gelöste Stoffe. Der Wasserkreislauf ist in sich geschlossen, sodass nur durch eine kontinuierliche Aufbereitung optimale Lebens -bedingungen aufrechterhalten werden können. Aus diesem Grund liegt folgende grundlegende Überlegung der Entwicklung des Fluid-Kreislaufs zugrunde:

Tiere, die in einem Lebensraum eingeschlossen werden, können einer sich verändernden Umwelt nicht ausweichen. Verändert sich die Umwelt, zum Beispiel die Wasserqualität im Fluid-Kreislauf, kann Stress zu Wachstumsdepression führen und das Überleben der Tiere gefährdet sein. Lebensbedingungen, die anhand der Biologie und Physiologie der Tiere festgelegt werden, sind Voraussetzung für die Funktion eines Fluid-Kreislaufs.

Bild 3: Prinzipieller Aufbau eines Fluid-Kreislaufs nach dem mit der Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH und neomar erarbeiteten Konzept.


Für aquatische Lebewesen ist der Lebensraum Wasser gleichzeitig auch Entsorgungsweg. Für eine sichere Funktion eines Fluid-Kreislaufs ist die Betriebssicherheit der Verfahren und Prozesskette Voraussetzung. Der Automatisierung kommt eine Schlüsselfunktion zu. Die Verfahren in Fluid-Kreisläufen müssen Interaktionen zwischen dem in der Haltung befindlichem Organismus und der künstlichen Umwelt ausbalancieren. Dazu gehören:

  1. Interaktionen mit der Wasserqualität (Temperatur, Säure/Basengleichgewicht, Konzentrationen von Gasen und gelösten Stoffen, Feststofffrachten, …)
  2. Interaktionen zwischen den in Haltung befindlichen Organismen (Verhalten, Aggression, Verteidigung, …)
  3. Interaktionen mit Routinearbeiten (Fütterung, Sortierung, Reparatur und Wartung, ...)

 

In Bild 3 ist das Prinzip eines Fluid-Kreislaufs dargestellt. Das Schema erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder technische Detailtreue. Es dient zur Verdeutlichung der im Folgenden beschriebenen Verfahren und Prozesse. Die Wasseraufbereitung in einem Kreislaufsystem erfolgt mit Ausnahme spezieller Komponenten, welche im Nebenstrom betrieben werden, in einer seriellen Anordnung der einzelnen Behandlungsstufen im Hauptprozesswasserstrom.
Der erste Schritt ist die Entfernung von Feststoffen aus dem Prozesswasser, die die Fischgesundheit beeinträchtigen würden. Im Wasser verteilte Partikel sind Substrat für Bakterien (Bild 5). Eine ungenügende Entfernung aus dem Prozesswasser führt zu sekundären mikrobiologischen Prozessen im Produktionstank und der Wasseraufbereitung. Diese sekundären biologischen Prozesse stellen aufgrund ihrer Unkontrollierbarkeit eine potentielle Problemquelle in der Prozesskette dar. Feststoffe werden in einem ersten Schritt zum Beispiel mit einem Trommelfilter entfernt (Bild 4).

Bild 4: Der Trommelfilter zur Entfernung partikulärer Feststoffe aus dem Prozesswasser (oben). Blick in die Trommel des Filters, die typischerweise mit einer Gaze mit einer Maschenweite von 40 - 60 µm bespannt ist (unten).

Die Größenverteilung der Partikel in Fluid-Kreisläufen ist in den Bereich der Feintrübe mit Partikelgrößen kleiner 30 µm verschoben. Das bedeutet, dass der Trommelfilter nur einen Teil der partikulären Feststoffe erfassen kann. Unter Umständen entstehen im mechanischen Filtrationsprozess im Trommelfilter sogar eine Vielzahl kleinerer Partikel. Moderne Fluid-Kreisläufe verfügen deshalb über mehrstufige Feststoffseparationen, die das Prozesswasser von Partikeln und Trübstoffen befreien.

Bild 5: Rastermikroskopische Aufnahme eines substratgebundenen Biofilms (Bakterien) aus einem Fluid-Kreislauf für Zucht von Fischen.

Bild 6: Die Flotation zur Entfernung von Trübstoffen aus dem Prozesswasser. Gezeigt wird eine Standardkomponente, der Helgoland 500 Eiweißabschäumer, der Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH.

Im Seewasser wird ein Flotationsverfahren nach dem Prinzip gegenläufiger Zweiphasenströme (Fluid/Luft), der sogenannte Eiweißabschäumer, eingesetzt (Bild 6). Eiweißabschäumer werden zur oxidativen Aufbereitung des Prozesswassers mit Ozon betrieben. Ozon unterstützt die Entfernung von gelöster organischer Substanz, in dem es Makromoleküle oxidiert und dem mikrobiellen Abbau zugänglich macht. Nach der Feststoffseparation wird im aeroben biologischen Filter (Bild 7) das Endprodukt des Stickstoffstoffwechsels Ammoniak bzw. Ammonium zu Nitrit und in einem zweiten Schritt zum Nitrat abgebaut (Nitrifikation). Ammonium und Nitrit sind toxische Verbindungen. Nitrat ist in erster Näherung ungiftig und stellt erst bei sehr hohen Konzentrationen im Prozesswasser ein Problem dar. Die Effizienz der aeroben Biofiltration (Nitrifikation) hängt von der Vorbehandlung des Prozesswassers ab. Der Abbau der organischen Belastung durch kontinuierliches und unmittelbares Entfernen des partikulären und gelösten Kohlenstoffs aus dem Prozesswasser hat einen positiven Effekt auf die Leistungsfähigkeit der Nitrifikation.
Problematisch bei allen Typen von Biofiltern ist die anfallende Bakterienbiomasse, die signifikant die Wasserqualität im Kreislauf beeinträchtigen kann. Die Prozesskette ist entsprechend ausgelegt und sieht eine zweite Flächenfiltration (Trommelfilter) nach dem Biofilter vor.
Bevor das Prozesswasser zurück in den Produktionstank fließt, werden die Sauerstoffsättigung, die Kohlenstoffdioxidkonzentration (Bild 8), das Säure/Basengleichgewicht, die Temperatur und der Salzgehalt eingestellt.
Die Planung von Fluid-Kreisläufen muss insgesamt darauf ausgerichtet werden, eine stabile Systemfunktion durch biologische Gleichgewichte zu erreichen. Das alleine reicht aber nicht aus. Die Mess- und Regeltechnik ist für die Kontrolle und die Regelung kritischer Prozesse im Betrieb unabdingbar. Modellbasierte prädiktive Regelung und Konzepte der statistischen Prozesskontrolle werden implementiert, um über den Produktionsprozess die Lebensbedingungen aufrecht zu erhalten, die den typischen Bedingungen der Tiere in ihrem natürlichen Lebensraum entsprechen. Die Prozesskontrolle muss darauf abzielen, dass nicht nur Einzelprozesse singulär geregelt werden, sondern auch Abhängigkeiten zwischen Prozessen bei der Automatisierung Berücksichtigung finden.

Durch die stringente Ausarbeitung der Prozesskette, die detaillierte Auslegung von Verfahren und die Konstruktion der Anlagen, wurde erreicht, dass das notwendige Wasservolumen, das täglich dem Kreislauf zugeführt werden muss, heute unterhalb einem Prozent des Systemvolumens liegt. Es wird mit dem hier verfolgten Konzept kein Wasser mehr ausgetauscht, sondern es werden nur die Wassermengen ersetzt, die zum Beispiel durch die Abscheidung der Feststoffe verloren gehen. Spezielle Rückgewinnungsverfahren lassen Fluid-Kreisläufe für die Aquakultur von Fischen, Krebs- und Weichtieren zu einem quasi geschlossenen Kreislauf werden.

Bild 7: Der Biofilter. Der Abbau von Ammonium/Ammoniak zu Nitrit und Nitrat erfolgt unter aeroben Bedingungen durch Bakterien, die auf Biokörpern Biofilme ausbilden (Bild 5).


Am Ende entscheidet aber das Entsorgungskonzept über die Funktionsfähigkeit des Kreislauf-Konzepts: Ein Fluid-Kreislauf ist nur dann ein gegenüber der Umwelt abgeschlossenes System, wenn auch die Entsorgungswege für Reststoffe dargestellt sind. Ein besonderer Aspekt mit immenser Bedeutung für die Nachhaltigkeit ist dementsprechend das Stoff- und Energierecycling. Wie in Bild 2 dargestellt, werden 1500 g Futtermittel für die Produktion von 1000 g Fisch benötigt. Zur Bereitstellung der notwendigen Stoffwechselenergie (Energiewandlung) werden 450 g Sauerstoff aus dem Wasser aufgenommen.


Im Produktionsprozess entstehen 500 g Feststoffe, die zum Teil, da sie im Wasser vorliegen, in Lösung gehen. Generell scheiden die Fische Stickstoff (75 g), Phosphor (15 g) und Kohlenstoffdioxid (650 g) in das Wasser aus, wobei die Stoffflüsse nicht nur in Bezug auf die Wasserqualität des Prozesswassers signifikant sind. Ein Fluid-Kreislauf ist nur so lange in sich geschlossen und wirklich von der Umwelt abgetrennt, solange das Prozesswasser im Kreislauf verbleibt. Wird Prozesswasser in die Umwelt abgegeben, wie bei verschiedenen konventionellen Kreislauftechniken, werden die im Wasser gelösten Stoffe, die im Prozesswasser kumulieren, also höhere Konzentrationen aufbauen, in die Umwelt abgegeben. Das bedeutet, dass in jedem Fluid-Kreislauf den Quellen entsprechende Senken gegenübergestellt werden müssen, wie in den folgenden Kapiteln dargestellt werden wird.

Bild 8: Mit einem energiesparendem Verfahren, einem Luftheber, wird Luftsauerstoff in das Wasser eingetragen und Kohlenstoffdioxid aus dem Prozess entfernt.

Die Technologie des Fluid-Kreislaufs wird an der Hochschule für Technik und Wirtschaft auch im Rahmen der Ausbildung von Studenten entwickelt. Praktika, Praxisphasen und Examensarbeiten sind ein unverzichtbarer Motor für die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, die am Institut für Physikalische Prozesstechnik in interdisziplinärer Zusammenarbeit durchgeführt werden.

Bild 9: Blick in die Forschungshalle Völklingen der Stadtwerke Völklingen, in der die Arbeitsgruppe der Hochschule für Technik und Wirtschaft verschiedene Fluid-Kreisläufe für die Ausbildung und für die For-schung und Entwicklung betreibt. Unten der Blick in
das Haltungsbecken mit Gelbschwanzmakrelen (Seriola lalandi).


Der Schlussakkord: Ein Industrie-gesponsertes Expertenforum weist in der sogenannten «Bremerhaven Declaration» auf die Notwendigkeit hin, dass landbasierte Infrastruktur für die Entwicklung der Marikultur in Netzkäfigen notwendig ist. Es handelt sich dabei um Anlagen für die Setzlingsproduktion. Aufgrund der mit ihrer Größe zunehmenden Fitness von Fischen ist es notwendig, möglichst große Besatzfische zu liefern. Dafür muss ein Elterntierbestand vorgehalten werden. Für beide Bereiche, Elterntierhaltung und Reproduktion, sind biosichere Fluid-Kreisläufe hervorragend geeignet, die den Lebenszyklus einer Art optimal in der Biotechnik abbilden. Eine Entwicklung der Marikultur in Netzkäfigen an der Küste ohne den Fluid-Kreislauf ist also offensichtlich nicht möglich.

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