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LANDMARK - Nährstoffrecycling in landbasierten marinen Kreislaufanlagen durch integrierte Produktion von Mikroalgenbiomasse

 

Einleitung

Für die Aquakultur werden in zunehmendem Maß Fluid-Kreisläufe eingesetzt. Der grundlegende Prozess, bzw. die Prozesskette, ist bekannt und in experimentellen Studien validiert worden. Die im Produktionsprozess anfallende partikuläre organische Substanz, gelöste Nährstoffe (Stickstoff, Phosphor) und Abgas (Kohlenstoffdioxid) unterliegen bislang keinem geregeltem Recycling und stellen ein potentielles Umweltproblem dar. Durch eine Erweiterung der Prozesskette des Fluid-Kreislaufs können diese Stoffströme einer umweltneutralen Verwertung zugeführt werden. Es ergeben sich zwei ineinanderlaufende Kreisläufe: Der primäre Produktionskreislauf und der sekundäre Entsorgungs- und Rückführungsweg (Abbildung 1), in dem Biomasse mit den im Prozesswasser des primären Kreislaufs gelösten Nährstoffen produziert wird. Ein nächster, entscheidender Schritt ist die Integration photoautotropher Verfahren, um die gelösten Nährstoffe aus dem primären Fluid-Kreislauf in einem ressourcenschonenden Verfahren zurückzugewinnen und durch die Erzeugung von zusätzlicher Biomasse die Stoff- und Energiebilanz des Gesamtverfahrens zu verbessern. Voraussetzung dafür ist, dass die Stoffströme gelöster und partikulärer Substanzen im primären Produktionskreislauf weitgehend voneinander getrennt und gezielt einem Recycling zugeführt werden können. Die heute verfügbare Photobioreaktoren-Technologie ist zurzeit nur eingeschränkt für die hier vorgesehene Anwendung einsetzbar, da im Prozesswasser nur vergleichbar geringe Nährstoffmengen gelöst sind. Es ist notwendig, die Prozesswasserzufuhr und damit den Stoffstrom aus dem primären Fluid-Kreislauf zu den Photobioreaktoren zu maximieren und aus dem rücklaufenden Prozesswasser die Mikroalgenbiomasse zurück zu halten, um optimale Produktionsbedingungen im Photobioreaktor einzustellen.

Abbildung 1: Der erweiterte Fluid-Kreislauf bestehend aus dem primären Kreislauf, der sekundären Nährstoffentsorgung und der Energierückführung über Mikroalgenbiomasse.

 

Aufgaben

Der im Projekt angezielte, zentrale Prozess ist die Mikroalgen-Biomasseproduktion auf der Basis gelöster Nährstoffe im Prozesswasser von Fluid-Kreisläufen für die Aquakultur. Das Projektziel ist eine wirtschaftliche Lösung für ein Stoff- und Energierecycling in Fluid-Kreisläufen für die Aquakultur aufzuzeigen.
In der ersten Projektphase standen grundlegende Laboruntersuchungen im Vordergrund. In Versuchen (Screening) sollte geklärt werden, welche Algenstämme auf Basis gelöster Nährstoffe im Prozesswasser wachsen können und gleichzeitig für eine Kultivierung in Photobioreaktoren geeignet sind.
Parallel dazu sollten verschiedene Photobioreaktor-Typen hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit untersucht werden. Um die Untersuchungen unter aquakulturtypischen Bedingungen durchzuführen, sollten die Photobioreaktoren an einen Fluid-Kreislauf angeschlossen werden, in dem Fische gehalten werden.

Abbildung 2: Mikrotiterplatte

 

Durchgeführte Arbeiten

Um experimentell mit Photobioreaktoren arbeiten zu können, war es notwendig, einen kleinen Fluid-Kreislauf aufzubauen, der die gelösten Nährstoffe unter den typischen Bedingungen in einem marinen Fluid-Kreislauf für die F&E Arbeiten an den Bioreaktoren zur Verfügung stellt. Der Forschungskreislauf wird mit Fischen bis zu einer Dichte von maximal 50 kg Biomasse pro Kubikmeter Haltungsvolumen besetzt. Er verfügt über einen Trommelfilter und einen Abschäumer für die Feststoffseparation (Trennapparate 1 und 2, Abbildung 3). Der Biofilter 1 (Nitrifikation) liegt im Hauptstrom und führt das Prozesswasser zurück in den Produktionstank. Der denitrifizierende Biofilter 2 arbeitet im Nebenschluss. Der Aufbau und die Automatisierung der Anlage wurde mit Studenten der Hochschule realisiert, um einerseits Kosten zu sparen und um andererseits die Prozesssteuerung speziell auf die Fragestellungen abzustimmen.
Der sekundäre Photobioreaktor-Kreislauf verfügt über einen Trennapparat 3 (Abbildung 3), der etwaige mikrobiologische Kontaminationen des Photobioreaktors verhindern soll. Der Photobioreaktor in Abbildung 3 repräsentiert zwei unterschiedliche Verfahren, die parallel eingesetzt werden. Einerseits wird ein Plattenreaktor für extrem hohe Mikroalgendichten erprobt, der mit komprimierter Luft betrieben werden kann. Das zweite Verfahren ist ein tubulärer Photobioreaktor für hohe Dichten, in dem der Prozesswasserstrom mit einer Zentrifugalpumpe angeregt wird. Aufgrund der vergleichsweise geringen Nährstoffkonzentrationen im Prozesswasser des primären Fluid-Kreislaufs müssen entsprechend große Prozesswasservolumina in die Bioreaktoren geführt werden, um die notwendigen Nährstoffe zuzuführen. Um mit dem Prozesswasserstrom nicht die Biomasse aus dem Reaktor auszutragen ist eine Biomasserückhaltung (Abbildung 3, Trennapparat 4) vorgesehen.


Abbildung 3: Prozessdiagramm für die experimentellen LANDMARK-Anlagen bestehend aus einem primären Produktionskreislauf für Fische und dem sekundären Photobioreaktor-Kreislauf für die Biomasseproduktion von Mikroalgen.

Die Fähigkeit verschiedener Mikroalgen das Prozesswasser aus Fluid-Kreisläufen für die Aquakultur als Nährstoffquelle zu nutzen, wurde in Mikroplatten untersucht, die eine simultane Beobachtung paralleler Versuchsansätze zulassen. Die spezielle Fragestellung war, ob das Wachstum der Algen durch das Fehlen einzelner Nährstoffe bzw. Spurenstoffe im Prozesswasser beeinflusst wird. Für die Untersuchungen wurden Mikroplatten mit 24 Kulturen je Mikroplatte mit jeweils 1 ml Volumen eingesetzt, die durchgängig mit Licht konstanter Energie und Wellenlänge beleuchtet wurden (Abbildung 2).


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Abbildung 4: Wachstum von Brachiomonas sp. im Prozesswasser dargestellt als die Zunahme der optischen Dichte bei Licht einer Wellenlänge von 750nm. Blaue und schwarze Symbole zeigen das Wachstum im angereicherten Kontroll-Prozesswasser. Grüne und rote Symbole zeigen das Wachstum nach Anreicherung des Prozesswassers mit Nitrat.

Abbildung 5: Wachstum von Brachiomonas sp. im Prozesswasser dargestellt als die Zunahme der optischen Dichte bei Licht einer Wellenlänge von 750nm. Blaue und schwarze Symbole zeigen das Wachstum im angereicherten Kontroll-Prozesswasser. Grüne und rote Symbole zeigen das Wachstum nach Anreicherung des Prozesswassers mit Spurenelementen und Vitaminen.


Für die Untersuchungen stand Prozesswasser aus einem Fluid-Kreislauf für marine Garnelen (Penaeus monodon) und Prozesswasser aus einem Fluid-Kreislauf für marine Fische (Seriola lalandi) zur Verfügung. Erste Untersuchungen zeigten, dass nur die marine Mikroalge Chlorella autotrophica anfänglich im Prozesswaser der marinen Garnelen gewachsen war. Es lag offensichtlich ein genereller Nährstoffmangel vor. Marine Garnelen werden typischerweise bei einer anorganischen Gesamtstickstoffkonzentration unterhalb von 10 mg N/l gehalten. Das später verwendete Prozesswasser aus dem Fischkreislauf hatte eine deutlich höhere Nährstoffkonzentration. Die Nitratstickstoffkonzentration, der dominierende anorganische Stickstoffverbindung im Prozesswasser betrug 33 Nitrat-N mg/L. Der Phosphatgehalt betrug 18 mg/L. Als Kontroll-Prozesswasser wurde in den Mikroplatten-Experimenten ein mit einem Standard-Nährstoffmix für Mikroalgen angereichertes Prozesswasser verwendet, das neben anderen Elementen 60 mg Nitrat-N/l und 3 mg Phosphat/l enthielt.

Abbildung 6: Zellkulturflaschen als Model für einen Flachplatten-Photobioreaktor. Durch die Lage des Laborraums in Souterrain war die direkte Sonnenbestrahlung der Kulturflaschen abhängig vom Sonnenstand auf 45 bis 90 min begrenzt.


Abbildung 4 zeigt das Ergebnis eines Versuches, bei dem das Prozesswasser mit Nitrat angereichert wurde. Im Vergleich zu den Kontrollen wuchsen die Mikroalgen trotz der Zugabe von Nitrat in das Prozesswasser nach sechs Versuchstagen nicht mehr weiter. Das Prozesswasser enthielt im ausreichenden Maß Nährstoffe, sodass die Wachstumsdepression nicht auf einen Mangel an Nitratstickstoff zurückzuführen war. Ein zweiter Versuch (Abbildung 5) zeigte ein gänzlich anderes Ergebnis. Mit Zugabe von Spurenelementen und Vitaminen zeigten die Mikroalgen ein vergleichbares, wenn auch graduell geringeres Wachstum über den Versuchszeitraum, sodass davon auszugehen ist, dass dem Prozesswasser in Photobioreaktoren essentielle Elemente zugeführt werden müssen.
Um den Einfluss des Faktors Tageslicht abschätzen zu können, wurden Versuche in Zellkulturflaschen (400 ml) durchgeführt, die einen vergleichbaren Lichtweg (43 mm) wie die Photobioreaktoren hatten, die später im Projekt eingesetzt wurde. Die Abbildung 6 zeigt den Versuchsaufbau.
In Abbildung 7 ist das Ergebnis eines Wachstumsversuchs mit angereichertem Prozesswasser (60 mg/l Nitrat-N, 2 mg/L Phosphat) aufgetragen. Der Versuch wurde mit der kleinen und in der Aquakultur häufig verwendeten Mikroalge Nannochloropsis salina durchgeführt. Das Ergebnis dieses Versuchs zeigt, dass ein kontinuierliches Wachstum bei Konzentrationen um 60 mg Nitrat-N/l im Prozesswasser möglich ist. Diese Konzentration ist typisch für das Prozesswasser in Fluid-Kreisläufen für den Wolfsbarsch (Dicentrarchus labrax) oder die Dorade (Sparus auratus).


Abbildung 7: Wachstumsexperiment mit Nannochloropsis salina im angereicherten Prozesswasser.

Abbildung 8: Flachplatten-Photobioreaktor der Firma Subitec, Stuttgart.


Nachdem die Laborversuche zeigten, dass N. salina für eine Kultivierung mit Prozesswasser in Photobioreaktoren geeignet ist, wurde ein 30 Liter Flachplatten-Photobioreaktor (FPA-PBR) in Betrieb genommen, um Vorversuche mit N. salina durchzuführen (Abbildung 8). Die Ergebnisse des Vorversuchs (Abbildung 9) zeigten die Funktionsfähigkeit des Versuchsaufbaus. Durch die Zugabe von Nitrat und Phosphat konnten zum Ende des Versuches konstant hohe Biomassen erreicht werden. Die Arbeiten fokussieren sich jetzt auf die Implementierung einer Biomasserückhaltung, um den Nährstoffstrom über einen höheren Prozesswasserfluss zu erhöhen. Erste Versuche mit keramischen Membranfiltern zeigten gute Ergebnisse.


Abbildung 9: Zunahme der Biomasse und Abnahme der im Prozesswasser gelösten Nährstoffe (Nitrat – violette Symbole, Phosphat – grüne Symbole) in einem 30-Liter FPA-PBR der Fa. Subitec, Stuttgart. Die Biomasse ist als optische Dichte (willkürliche Zahl) auf der Ordinate aufgetragen. Dreiecke zeigen Nährstoffzugaben an.

 

Projektmitarbeiter

Jochen Bauer, PD Dr. rer. nat. Annelise Ernst, Dipl. Biol. Verena Hanke, Prof. Dr. O. Pulz, B.Eng. Benjamin Schmitt, Dr. P. Ripplinger, Prof. Dr. Uwe Waller, Dr. Bert Wecker

 

Fördermittelgeber

Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Beteiligte Hochschulen und Unternehmen

Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH

IGV GmbH

Subitec GmbH

Sponsoren

SIEMENS
HYDROTECH Veolia Water Solutions & Technologies

 

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