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Optimale Erzeugung von Mehrphasenströmungen als Grundoperation in kreislaufgeführten Produktionsanlagen

Gerhard Braun, Verena Hanke, Andreas Kulakowski, Klaus Kimmerle, Karin Sander, Martin Sander, Uwe Waller, Eike Ziegler

Die Entfernung von Partikeln aus dem Prozesswasser von Fluid-Kreisläufen ist für die Funktion der Prozesskette von zentraler Bedeutung. Partikel sind zum Beispiel Futterreste oder Fäzes. Sie treten als Folge der Fütterung der Tiere auf. Werden Partikel nicht unmittelbar aus dem Prozesswasser entfernt, ergeben sich schwerwiegende Konsequenzen für die Gesamtfunktion eines Fluid-Kreislaufs:

  1. Partikel sind Substrat für Mikroorganismen, die sich vehement auf Oberflächen vermehren. Der Stoffwechsel der Mikroorganismen zehrt Sauerstoff aus dem Prozesswasser und entlässt Kohlenstoffdioxid. In Bezug auf die gelösten Gase konkurrieren die Mikroorganismen mit den Tieren, die im Prozesswasser gezüchtet werden. Die Prozesse entziehen sich einer Kontrolle und können nicht geregelt werden.
  2. Partikel beschädigen Epithelien und Integument, also die äußere Körperhülle von Organismen. Insbesondere Schäden an den Kiemenepithelien haben unmittelbare Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit. Die begrenzte Sauerstoffaufnahme führt zu einer verminderten Stoffwechselaktivität und reduziertem Wachstum der Tiere.
  3. Die Biofiltration, der notwendige Schritt, um kritische Nährstoffe wie das exkretierte Ammoniak abzubauen, wird durch die Auflagerung von Partikeln auf die Biofilme beeinträchtigt. Der Stoffaustausch zwischen dem Prozesswasser und dem eigentlichen aktiven Biofilm wird minimiert.

Bild 1: Schematische Darstellung des Flotationsprozesses in einem Eiweißabschäumer. Der Flüssigkeitsstrahlapparat, der aktiv Luft in den Wasserstrom hineinsaugt (Bild 3), ist rot hervorgehoben. Das Prinzip des Eiweißabschäumers ist eine Wasserklärung im Gegenstrom von Luft (gelb) und Wasser (blau).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Die Flotation oder Eiweißabschäumung ist ein Kernprozess im Fluid-Kreislauf und bestimmt wesentlich die Qualität des Prozesswassers. Der Eiweißabschäumer ist im Prinzip ein Flotationsapparat. Flotationsprozesse ermöglichen die Abtrennung gelöster, kolloidaler und partikulärer Substanzen. Diese lagern sich an den Grenzflächen der eingebrachten Gasblasen an.

Bild 2: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Bakterien aus einem Fluid-Kreislauf für die Aquakultur von Fischen.

 
Ein spezieller Anwendungsfall der Flotation ist die Abschäumung oberflächenaktiver Substanzen, zum Beispiel Eiweiß. Die Schaumbildung ermöglicht einen gekoppelten Austrag von Stoffe aus dem Prozesswasser. Der Schaum bindet kleinste Partikel, Bakterien (Bild 2) und Viren, sodass mit diesem Verfahren die Qualität des Prozesswassers in einem Fluid-Kreislauf wesentlich verbessert wird.

Bild 3: Das Funktionsprinzip eines Flüssigkeitsstrahlapparats mit dem Luft- (gelb) und Wasserstrom (blau).
 

Die stoffbezogene Effizienz der Abschäumung nimmt mit steigendem Luftvolumenstrom zu. Die Luft wird in modernen Eiweißabschäumern mit Strahlapparaten energie-effizient eingetragen. Das grundlegende Prinzip des Strahlapparates ist in Bild 3 dargestellt. Der Wasserstrom (blau) wird mit zunehmender Geschwindigkeit durch eine Düse gedrückt, wodurch ein Unterdruck entsteht und Luft (gelb) in den Wasserstrom gesaugt wird. Die Luftblasen werden sehr fein eingetragen, im Wasserstrom gleichmäßig verteilt und in den Eiweißabschäumer injiziert (Bild 4). Die Luftblasen steigen entgegen dem Wasserstrom im Eiweißabschäumer auf und bilden mit organischen Molekülen im Wasser den Schaum (Bild 5). Da es sich um Eiweißstoffe handelt, hat sich der Name Eiweißabschäumer für diesen Apparat etabliert. Der Prozess ist vom Meeresstrand bekannt, wo bei stärkerem Wind Schaum im Brandungsbereich entsteht. Es handelt sich also um einen natürlichen Prozess (Ecological Engineering), der von zentraler Bedeutung in einem Fluid-Kreislauf ist.

 

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