DD143792A1 - Vorrichtung zur automatischen qualitaetskontrolle von luft und wasser durch mikroalgen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf den Umweltschutz, insbesondere auf den Gewässerschütz, und in diesem Rahmen auf die Analyse von Wasser und Luft jedweder Herkunft und unterschiedlichster Nutzungsbereiche. Sie verfolgt das Ziei, physikalische, chemische und biologische Analysen durch einen schnell reagierenden und exakt messenden biologischen Analysator zu ergänzen, der automatisch arbeitet. Die Erfindung basiert auf 2 oder einem Vielfachen von 2 parallel betriebenen Fermentoren, die wahlweise autotroph oder heterotroph zu arbeiten vermögen und in denen Suspensionskulturen von Mikroalgen kontinuierlich kultiviert werden. Bei Einspeisen quantitativ gleicher und qualitativ differenter bzw. quantitativ und qualitativ differenter Wasser- bzw. Luftproben entstehen im Vergleich zur Normwasserkultur bzw. Normiuftkultur Leistungsdifferenzen zwischen den einzelnen Fermentoren, die sich gasanalytisch, volumetrisch, elektrisch, elektronisch oder optisch ermitteln und als Maß für die Phytoaktivität der in Testwasser gelösten oder suspendierten Substanzen nutzen lassen. Bei Überschreiten eines Schwellwertes werden die tangierten Algensuspensionen mit Hilfe der Normwasserkultur bzw. Normluftkultur und einem mit ihr verbundenen Regenerationsfermentor regeneriert.

Description

Vorrichtung zur automatischen Kontrolle von Umweltfaktoren durch Mikroalgen .

Anwendungsgebiet der Erfindung

Umweltschutz, Gewässerschutz, Abwasserprüfung, Qualitätskontrolle von Trinkwasser, Überwachung von Oberflächenwasser und Grundwasser bzw« von Brauchwasserkreisläufen, Luftüberwachung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Analyse von Wasser und Luft erfolgt bislang hauptsächlich mit Hilfe chemischer oder/und physikalischer Methoden. Die daraus resultierenden Aussagen sind zwar schnell zugänglich und - bezogen auf die jeweils gemessene Komponente des Gesamtsystems - in der Regel eindeutige Sie repräsentieren das Gesamtsystem jedoch nur bedingt. So ist es zum Beispiel mittels solcher Methoden kaum möglich, aktuell auftretende chemische Hoxen im Gesamtsystem unmittelbar zu erfassen· Sie treten nur mittelbar und mit Zeitverzug über die von ihnen verursachten Folgen, so etwa über den veränderten biologischen Sauerstoffbedarf eines Gewässers, in Erscheinung_β Die prinzipiell für solche Analysen geeigneten und dafür auch genutzten Organismen, wie zum Beispiel -Fische und Fischnährtiere für Wasseranalysen und Flechten für Luftanalysen reagieren nur sehr langsam und mit großer Reaktionsamplitude. Ihr Einsatz ist nicht automatisierbarο Der mit solchen iests verbundene materielle f 02'ganisatoriachs und personelle Aufwand ist beträchtlich*

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Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, für die Umweltfaktoren Wasser und Luft unterschiedlichster Qualität, Herkunft und Nutzung eine Vorrichtung vorzustellen, die deren automatische Kontrolle mit Hilfe von Organismen schnell und sicher ermöglicht und so die bestehenden Überwachungssysteme ergänzt·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, die es ermöglicht, für die automatische Kontrolle von V/asser und Luft Mikroalgen zu verwenden und ihren Stoffwechsel als Indikationsbereich zu nutzen. Auf diese Weise ist es möglich, die mit physikalischen und/oder chemischen Routine-Überwachungsverfahren nicht unmittelbar faßbaren stoffwechselaktiven Qualitätsveränderungen schnell und quantifizierbar zu erfassen, was gegenwärtig mit den üblichen Testorganismen nur mit beträchtlichen Schwankungen in den ableitbaren Aussagen und bei großem Zeit- und Materialaufwand erfolgen kann. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in zwei oder mehreren parallel betriebenen Permentoren Mikroalgen in wäßrigem Medium kontinuierlich kultiviert werden und deren Stoffwechsel als Indikationsbereich genutzt wird. Führt man solchen Permentoren pro Zeiteinheit definierte Mengen frischen Hährmediums zu und leitet adäquate Anteile der Zellsuspension ab, stimmt die Geschwindigkeit der Stoffwechselprozesse in den jeweiligen Test- und Vergleichsfermentoren überein, so daß man den gewählten Stoffwechselbereich als schnell und quantitativ reagierendes Indikationsgebiet für Bedingungsveränderungen zwischen den Permentoren nutzen kann. Verwendet man bei völlig konstanten übrigen Bedingungen zwischen jeweiligen Test- und Vergleichsfermentoren für das kontinuierlich zuzuführende Hährmedium Wasseranteile verschiedener Qualität oder

*9 VfS

Luft verschiedener Herkunft, so läßt sich die daraus resultierende Stoffwechseldifferenz erfassen und als Maßstab für die Qualität der Proben nutzen.

Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung für die automatische Toxizitätsanalyse von Wasser und Luft durch Mikroalgen hat in ihrem Zentrum zwei oder mehrere paarweise übereinstimmende doppelwandige Permentoren 1, deren Temperiermantel 2 mit dem Thermostaten 3 verbunden ist. Belichtet werden kann mittels Lichtquellen 4 so, daß die in den Permentoren 1 befindlichen Algensuspensionen 5 der gleichen Quanteninmission unterliegen. Mit Hilfe der Dosierpumpenbatterie 6 werden über den Normwasserzufluß 7 bzw«, aus dem zu analysierenden Testwasser 8 gleiche oder verschiedene Mengen über die Zuleitung 9 in den jeweiligen Permentor 1 transportiert und vorher mit einem Nährlösungskonzentrat 10 über die Leitung 11 zum Nährmedium vermischte Die dadurch in den Permentoren 1 verdrängte Suspensionsmenge fließt durch das Überlaufrohr 12 in das Druckausgleichsgefäß 13» um von dort aus in das Auffanggefäß 14 oder in den Regenerationsfermentor 15 zu fließen, nachdem sich das mitgerissene Gas abgetrennt hat und über die Rückflußleitung 16 wieder in die Gaszuführung 17 eingespeist wird» Als Belüftungsgas für die Zellsuspensionen dient Luft, die mittels Gasförderpumpe 18 herangeführt und über das Ventil im Mischgefäß 20 mit einem definierten Anteil GOp versehen werden kann. Das Belüftungsgas wird mit Hilfe der durchflußgeregelten Drosseln 21 anteilig über die Gaszuführimg 25 in die Permentoren eingespeist und dort in Bodennähe in der Algensuspension 19 verteilt. Bei seiner Passage durch die Algensuspension erfährt es infolge des Stoffwechsels der Organismen eine quantitative Veränderung und wird über die Gasableitung 22 zu einem Analysensystem überführt oder ins Preie abgegeben. Führt man dem·zweiten Permentor 1 anstelle des Testwassers 8 ebenfalls ilormwasser 7 zu und verwendet dafür Luftströme verschiedener Herkunft mittels des 2» Belüftungsaystems 27, so arbeitet der Automat als Luftanalysator»

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1.- Ausführungsbeispiel:

Die bis zum Überlaufrohr 12 mit Algensuspension 5 gefüllten und auf 37 ⁰G temperierten Permentoren 1 werden mittels der Gaszuführung 17 von identischen Belüftungsgasanteilen durchströmt« Mit Einschalten der Lichtquellen 4 beginnt die Photosynthese der einzelligen Grünalgen. Der Geschwindigkeit dieses Prozesses adäquat wird, während gleichzeitig durch das Überlaufrohr 12 Algensuspension abfließt, über die Dosierpumpe 6 und die Zuleitungen 9 den Fermentoren 1 Nährmedium zugeführt, dessen wäßriger Anteil für den Vergleichsferment or 1 llormwasser 7, für den Testfermentor 1 Testwasser 8 ist. Enthält das Testwasser 8 phytοaktive Substanzen, so kann sich das in einer Differenz der Photosynthesegeschwindigkeiten der Algensuspension im Kontroll- und Testfermentor niederschlagen. Die der Dosis der phytoaktiven Substanz proportionale Änderung in der Zusammensetzung des die Algenkulturen verlassenden Gases wird von einem Gasanalysator erfaßt und durch einen Schreiber kontinuierlich registriert. V/ird ein bestimmter Schwellwert der Abweichung überschritten, so kann die signalisiert werden. Gleichzeitig v/ird der Testferment or 1 automatisch entleert und mittels der vom Normwasserfermentor 1 produzierten und toxisch nicht belasteten Suspension des Regenerationsferment ors 15 über das Ventil und die Zuleitung 26 erneut gefüllt, so daß die kontinuierliche Analyse unter den Ausgangsbedingungen fortgesetzt werden kann« ' , ,

2. Ausführungsbeispiel:

Die Fermentoren 1 werden, wie im Ausführungsbeispiel 1 behandelt, jedoch lichtabgeschirmt betrieben. Als Energiequelle für Wachstum und Gaswechsel der Algen wird Glukose genutzt, die über das Nährlösungskonzentrat 10 den wäßrigen Arbeiten des l'Tährmediums beigefügt wird, welche als liorm?/asser 7 bzw, Testwasser 8 agieren.

Als Belüftungsgas fungiert COp-freie -Luft, deren Zusammensetzung sich beim Passieren der Algensuspension 5 im Ergebnis ihrer, glukosestimulierten Atmung verändert. Tangieren die im Testwasser 8 enthaltenen Aktivsubstanzen die Zellatraung, so spiegelt sich das im Meßergebnis des Analysators adäquat wider und wird vom Schreiber dokumentiert. Wird ein vorgegebener Schwellwert überschritten, so kann das wiederum Signale auslösen» Gleichzeitig erfolgt die Entleerung des Testfermentors 1. Er wird erneut gefüllt mittels der vom Hormwasserfermentor heterotroph produzierten und im Regenerationsferment or 15 deponierten Suspension, so daß auch hier die Analyse unter den Ausgangsbedingungen fortgesetzt werden kann.

3o Ausführungsbeispiel:

Die Fermentoren 1 werden wie im Ausführungsbeispiel 1 bzw, Ausführungsbeispiel 2 behandelt. Die durch phytoaktive Substanzen im Testwasser 8 provozierte Stoffwechseldifferens zwischen Uormwasserkultur und Testwasserkultur wird jedoch mittels elektronischer, elektrischer, oder optischer Verfahren ermittelt, deren Sensoren entweder in die Permentoren 1 eingebracht sind und dort unmittelbar oder über Suspensionskreisläufe 23, die an die Permentoren 1 über Ventile 24 angeschlossen sind, die StoffwechseldiJferenz bzw. deren Auswirkungen auf Zellwachstum, ZeilVermehrung, Pigmenthaushalt ermitteln» Wird dabei ein vorgegebener Schwellwert überschritten_s so kann das wiederum Signale auslösen· Gleichzeitig wird der Testfermentor i entleert und unmittelbar danach mittels der vom Itformwasserfermentor 1 autotroph bzw. heterotroph produzierten und im Regenerationsfermentor 15 deponierten Suspension beschickt, so daß die Analyse unter den Ausgangsbedingungen fortgesetzt v/erden kann.

4. Ausführungsbeispiel:

Die Fermentoren 1 werden zunächst wie im Ausführungsbeispiel 1 bzw. 2 behandelt, jedoch erfolgt die Zufuhr des mit Normwasser 7 bzw. Testwasser 8 und Hährlösungskonzentrat 10 bereiteten Nährmediums, gesteuert durch die Angaben der Gasanalysatoren, der elektrischen, elektronischen oder optischen Analysatoren entsprechend der StoffWechselleistung des jeweiligen Fermentors. Enthält das Testwasser phytoaktive Substanzen in Mengen, die den Stoffwechsel der TestOrganismen im Testfermentor 1 meßbar tangieren, so ergibt sich eine entsprechende Differenz im Zufluß des ITährmediums in den einzelnen Permentoren 1, die notwendigerweise auch eine adäquate Differenz der durch das Überlaufrohr 12 aus den Permentoren 1 verdrängten Suspensionsmenge zur Folge hat. Die verdrängten Suspensionsmengen lassen sich nach Austritt aus dem Überlauf des Regenerationsfermentors 15 bzw. nach Austritt aus dem Druckausgleichsgefäß 13 des Testfermentors 1 volumetrisch erfassen bzw. automatisch wägen. Wird dabei eine kritische Differenz überschritten, so kann das Signale auslösen. Gleichzeitig erfolgt eine quantitative Entleerung des Testfermentors 1. Er wird unmittelbar danach mit Hilfe des Normwasserfermentors 1 erneut gefüllt, so daß auch hier die Analyse unter den Ausgangsbedingungen fortgesetzt werden kann.

5· Ausführungsbeispiel:

Wie 1. - 4o Ausführungsbeispiel, «jedoch anstelle des Testwassers 8, wird dem Testfermentor 1 ebenfalls ITormwasser zugeleitet. Die Gaszuführung 17 führt Belüftungsgas mit unbelastetem Luftanteil, die Gaszuführung 27 tritt in Funktion und führt für den Testfermentor Belüftungsgas mit belastetem Luftanteil. Die dort enthaltenen phytoaktiven Substanzen bewirken eine der Dosis entsprechende Änderung in den Stoffwechselprodukten der Algen, so daß im Vergleich zum Vergleichsfermentor mit den genannten Meßverfahren eine Leistungsdiffernz erfaßt werden kann, auf die der Apparat in der in den Ausführungsbeispielen 1-4 dargestellten Weise zu reagieren vermag.

Claims (2)

1. Erf i η d ung a an ε pr üc he

   1. Vorrichtung zur automatischen Kontrolle von Umweltfaktoren durch Mikroalgen, dadurch gekennzeichnet, daß in 2 oder einem Vielfachen von 2 parallel betriebenen Permentoren Mikroalgen kontinuierlich kultiviert werden, wobei sich Zufuhr des Nährmediums und Ableitung der Algensuspension im Gleichgewicht befinden und mit dem eingespeisten IJahrmedium entweder quantitativ gleiche, jedoch qualitativ verschiedene Wasseranteile, genannt "Uormwasser und "Testwasser¹', den Permentoren zufließen oder bei völlig gleichen Mhrmedien quantitativ gleiche, aber qualitativ verschiedene Luftströme in die Permentoren eingespeist werden und den Stoffwechsel der als TestOrganismen in der Suspension befindlichen Algen mehr oder minder tangieren, so daß zwischen beiden Permentoren eine Differenz in der Stoffv/echselleistung entstehen kann,.,, die über Analysatoren nachgewiesen und über Schreiber dokumentiert wird und bei Überschreiten eines wählbaren Schwellwertes die Regeneration der Testkultur mittels des Hormwasserfermentors oder Hormluftfermentors oder des mit diesem verbundenen Regenerationsfermentors ausgelöst, so daß die Analyse faktisch unbegrenzt fortgesetzt werden kann#

   2e Vorrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permentoren belichtet werden und der aus der Photosynthese der Testorganismen resultierende Gaswechsel für die Indikation in V/asser oder in Luft befindlicher phytoaktiver Substanzen genutzt wird₀

   3* Verrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permentoren im Dunkeln betrieben werden, das Hahrmedium als Energiequelle einen definierten Glukosearrteil enthält und der aus der Atmung der TestOrganismen resultierende Gaswechsel für die Indikation in Wasser oder in Luft befindlicher phytoaktiver Substanzen genutzt.wird·

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   4« Vorrichtung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkung in Wasser oder in Luft befindlicher phytoaktiver Substanzen auf Stoffwechselprozesse der TestOrganismen mit Hilfe elektrischer, elektronischer oder optischer Verfahren ermittelt wird,
2. 5. Vorrichtung nach Punkt T, dadurch gekennzeichnet, daß die Testwasserzufuhr bzw. bei Luftanalysen die Normwasserzufuhr zum Testferment or der sich im Zellwachstum, Pigmententwicklung und Zellvermehrung repräsentierenden Stoffwechselleistung der Testorganismen adäquat erfolgt und die auf diese Weise aus dem Permentor verdrängte Zellsuspension volumetrisch erfaßt wird«,

   Hierzu /\ Seite Zeichnung .·