-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kulturanlage für proteinreiche aquatische Pflanzen, sowie Kulturanlage selbst, bei welcher aquatische Pflanzen, insbesondere Wasserlinsen zum Einsatz kommen, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 24.
-
Die generelle Kultivierung von Wasserlinsen zur Herstellung von Futtermitteln, von derselben Anmelderin, ist bekannt aus der
EP 2 331 238 B1 , sowie der
EP 2 928 286 B1 .
-
Insbesondere von der Wasserlinse ist bekannt, dass diese schwachlichttolerant ist, und sich zum einen für eine Indoor-Kultivierung, also in einem Gewächshaus eignet, als auch in einem gestapelten Kulturwannensystem kultiviert werden kann. Zumindest eine Sprossung in der vegetativen Vermehrung ist unter Schwachlichtbedingungen möglich. Eine zusätzlich Hilfsbeleuchtung mit geeigneten Leuchtdioden geeigneter Wellenlängen ist jedoch zuträglich für eine Proteinreife.
-
Mit Hilfe dieses vorteilhaften Kulturverfahrens ist es bekannt, die Wasserlinsen in einer Etagenkonstruktion zu kultivieren, um so einen erheblich höheren Grundflächenertrag für solche Photo-Bioreaktoren zu generieren. Dieser multipliziert sich mit der Anzahl der verwendeten Etagen, auf denen die Kulturwannen angeordnet sind. Diese Kulturmethode folgt wie gesagt der Erkenntnis, dass insbesondere Wasserlinsen schwachlichttolerant sind.
-
Es ist ferner bekannt, einen solchen Photo-Bioreaktor in Zonen einzuteilen, in denen verschiedene aquatische Pflanzenkulturen kultiviert werden, um anschließend ein Mischfuttermittel herzustellen.
-
Die Verfahrensweisen und Anforderungen für die Herstellung eines Mischfuttermittels aus aquatischer Biomasse sind aber deutlich verschieden zu den Anforderungen zur Herstellung proteinmaximierter Biomasse, oder eines hochreinen Protein-Isolates.
-
Beim Letzteren kommt es darauf an, nicht die Proteine als Rohproteine zu extrahieren, sondern das gesamte vorhandene Aminosäurespektrum in die entsprechenden Aminosäuren zu trennen, zu isolieren.
-
Auch ist die Isolation von Proteinisolaten aus pflanzlichen Substraten als solche bekannt, aber in bekannten Verfahren werden Biomassen geerntet und die Isolat-Herstellung kann nie besser sein, als was der Rohstoff nach der Ernte bereitstellt.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Kulturverfahren und Proteinmaximierung, sowie ggfs die Herstellung von Protein-Isolaten miteinander so zu verbinden, dass es zu einem optimierbaren Endprodukt kommt.
-
Die gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art, erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
-
Diesbezügliche Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 23 angegeben.
-
Hinsichtlich einer Einrichtung der gattungsgemäßen Art, wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 24 gelöst.
-
Diesbezügliche Ausgestaltungen sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Kern der verfahrensgemäßen Erfindung ist, dass sowohl Schwachlichtzonen als auch Starklichtzonen integral in jeweils jeder Kulturwanne integriert sind, dass die Starklichtzone im Ausleuchtungswert bei > 40 µmolsec-1 m-2 liegt, und dass die Starklichtzone entweder in, oder vor der besagten Partial-Beerntungszone liegt.
-
In dieser erfindungsgemäßen Weise wird also durch in-situ-Anpassung der Erntemenge, diesen an den Proteinoptimierungsprozess angepasst. Sowohl die Ernährung der aquatischen Kulturpflanzen, als auch der Betrieb einer Zusatzbeleuchtung wird so angepasst, dass vorbestimmbare Aminosäurespektren in der geernteten Biomasse generiert werden.
-
Viel wichtiger ist aber, dass die verschiedenen Ausleuchtungszonen, in denen sowohl Globalstrahlung als auch Kunstlicht miteinander gemeinsam vorliegen, innerhalb einer, bzw innerhalb jeweils jeder Kulturwanne vorliegen, derart, dass sich sowohl Schwachlichtzonen als auch Starklichtzonen in jeder Kulturwanne ergeben.
-
Wichtig ist damit also, dass sowohl Schwachlichtzonen, die zur reinen Propagation einer hohen Individuenzahl durch Sprossung, als auch die entsprechenden Starklichtzonen zur Massen- und Proteinausreife, innerhalb jeweils derselben längenerstreckten Kulturwanne integriert sind.
-
D.h. Schwachlichtzonen und Starklichtzonen sind so vorzugsweise nicht mehr in unterschiedlichen Kulturwannen mit unterschiedlicher Lichtqualität und Lichtquantität, sondern innerhalb jeweils einer längenerstreckten Kulturwanne gemeinsam integriert. Dies erfolgt dabei so, dass an einem Ende der Kulturwanne, bspw mit einer Längenerstreckung von 33 % der Gesamtlänge, die Kultur dort lokal mit Starklicht beaufschlagt wird, bspw mit einer hilfsweisen LED-Kunstlichtausleuchtung in PAR-Wellenlängenbereichen (PAR Wellenlängen sind die für die Photosynthese relevanten Wellenlängen bei ca 350 nm und 680 bis 700 nm). Die Starklichtausleuchtung liegt bei einer schwachlichttoleranten Pflanze allerdings kaum höher als 80-100 µmolsec-1 m-2, was bei vielen anderen Pflanzen schon ausgeprägtes Schwachlicht ist.
-
Die übrigen, bspw. 67 % der Längenerstreckung der jeweiligen Kulturwanne oder -wannen, sind in der Stapelanordnung entweder nur mit Globalstrahlung ausgeleuchtet, oder mit einer schwächeren Ausleuchtung als in den Starklichtzonen.
-
Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zu nutze, dass die Stickstoffaufnahme abhängig von der verfügbaren Lichtmenge ist. Mit Bezug auf die ausgeprägte Schwachlichttoleranz von Lemnaceae (Wasserlinsen) bedeutet dies aber, dass der Photosynthesewirkungsgrad beim Lemnaceae hoch ist, bzw. sein muss.
-
Die Integration von Starklichtzonen und Schwachlichtzonen in ein und derselben jeweiligen Kulturwanne, folgt aus dem durch Messungen mehrfach bestätigten überraschenden Effekt, dass wenn die besagten Lemnacea aus einer mit Schwachlicht beaufschlagten Kulturwanne in eine gesonderte, mit Starklicht beaufschlagte separate Kulturwanne durch Floating oder dergleichen überführt wird, bereits geringe Unterschiede in der Nährlösungskonzentration, und/oder in der Leitfähigkeit und/oder des pH-Wertes genügen, um eine weitere Propagation der Lemnacea für bis zu 72 Stunden zu hemmen. Aus diesem Grund hat es sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Starklichtzone in demselben Kulturwasserkörper einer jeweils einzigen Kulturwanne bleibend, diffusionsschlüssig mit der Schwachlichtzone verbunden ist.
-
Wird die Lemnacea nach bspw jeweils 3 Tagen durch vollständiges Abskimmen lediglich der Bedeckung in der Starklichtzone beerntet, so können die in der Schwachlichtzone verbleibenden Lemnacea durch weiteres Nachwachsen durch Sprossung wieder in die Starklichtzonen expandieren. Dies hat sogleich zwei wichtige Effekte. Zum einen sorgt die Entspannung der Populationsdichte in der Schwachlichtzone zu einer enormen Wachstumsanregung, und zum anderen wächst die Population von Ernte zu Ernte schrittweise ganz von der Schwachlichtzone in die Protein- und Massenreife selbsttätig durch Expansion nach.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die besagte Beleuchtung in der Zone der zyklischen partiellen Beerntung eingesetzt wird, d.h. dort wo die zyklische Partialbeerntung stattfindet, derart, dass die dort eingesetzte Beleuchtung sowohl in der Lichtquantität als auch in der Lichtqualität an die zu erzielende Biomassenmenge und an den Protein- und/oder Stärkegehalt angepasst wird, indem die Lichtquantität wellenlängenselektiv geregelt wird.
-
Mit der Erkenntnis, dass die optimale Nährstoffzusammensetzung eine Frage der Beleuchtungsverhältnisse in der jeweiligen Etage des Etagenkultursystems ist, lässt sich somit finden, dass Arealen gleicher Ausleuchtung auch gleiche Nährstoffspektren zugeführt werden.
-
In weiterer alternativer Ausgestaltung ist angegeben, dass die besagte Beleuchtung in der Zone eingesetzt wird, die der zyklischen partiellen Beerntungszone vorgeordnet ist, so dass die aquatischen Pflanzen zuerst durch die Starklichtzonen hindurch expandieren, bevor sie vor der Beerntung nochmals in einer Schwachlichtzone zu maximaler Proteinsynthese angeregt werden. Dies kann für bestimmte Sorten für die Proteinsynthese spezifisch gelten.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Stellparameter der Lichtqualität und Lichtquantität, zur Erzielung optimierter zielbedarfsgeregelter Protein- und/oder Stärkegehalte in der Biomasse in einer in-situ Messung von Proben der geernteten Biomasse, oder aus Stichproben von entnommener Biomasse aus der Zone der Beerntung, ermittelt werden, und hernach die Lichtqualität und Lichtquantität, über die so ermittelten Stellparameter an die gewünschte Biomassenqualität angepasst und gesteuert werden.
-
Dies umfasst gleich zwei Wirkungen, nämlich die Ausleuchtung mit Globalstrahlung (Sonnenlicht) oder eine teilweise oder gänzliche Ausleuchtung mit Leuchtdioden. Damit wird ausgenutzt, dass das Regalsystem von oben nach unten in der reinen Globalstrahlungsausleuchtung abnimmt, und ggfs. zumindest bei Erreichen einer Mindestschwelle für eine pflanzenphysiologische Schwachlichttoleranz, zusätzlich oder ersatzweise mit einer pflanzenphysiologisch, d.h. nach Wellenlänge und Energiedichte angepassten Kunstbeleuchtung ausgeleuchtet wird.
-
Hierbei ist von Bedeutung, zu berücksichtigen, dass die physiologischen Photosynthesesysteme der eingesetzten aquatischen Pflanzen, insbesondere Lemnaceae(Wasserlinsen) auf bestimmte Wellenlängen reagieren, die insbesondere zum einem im Bereich von ca 350 nm und bei ca 700 nm liegen, und dazwischen liegende weitere spezifische Wellenlängen. Auf diese ist die Kunstlichtausleuchtung zu adaptieren.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Kulturwannen jeweils längserstreckte Wannen sind, bei welchen die Beerntungszonen jeweils an mindestens einem Ende der Wannen angeordnet sind, und dass sich die besagte, in Lichtqualität und Lichtquantität steuer- oder regelbare Beleuchtung der Kulturwannen auf diese Beerntungszonen, oder in die Mitte der Länge der Kulturwannen gerichtet sind.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass zusätzlich zur Steuerung der Lichtqualität und Lichtquantität, die Ernährung der aquatischen Pflanzenkultur durch eine Steuerung der Zugabe der Makronährstoffe Stickstoff, Phosphor und Kalium über eine Nährlösung in der Art erfolgt, dass die Konzentrationen der zugegebenen Makronährstoffe an die Lichtqualität und/oder die Lichtquantität solange angepasst wird, bis die jeweils erwünschten optimierten Protein- und/oder Stärkewerte erzielt werden.
-
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass zusätzlich das Verhältnis von in die Nährlösung zugegebenem Ammonium-Stickstoff (NH4+) zu zugegebenem Nitrat-Stickstoff (NO3-) angepasst wird, derart, dass der Nitrat-Stickstoffanteil gegenüber dem Ammonium-Stickstoffanteil überwiegt, und dass das Phosphor/Stickstoff-Verhältnis zwischen 1/20 und 1/5 respektive zur eingesetzten aquatischen Pflanzensorte eingestellt wird.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass zusätzlich die Zugabe des Oligo-Nährstoffes Magnesium und/oder von Sulfaten, an die oben beschriebene Betriebsweise angepasst wird. Die macht deshalb Sinn, weil die Aufnahme dieser Nährstoffe u.a. bei einem optimierten Photosynthesewirkungsgrad hilfreich sind.
-
Gleiches gilt natürlich auch für die Spurenelemente, nämlich dass die zusätzliche Zugabe der Spurenelemente, Zink, und/oder Kupfer, und/oder Molybdän, und/oder Mangan und/oder Eisen angepasst wird.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die zusätzliche Zugabe von CO2 in den Gasraum der Kulturanlage bis zu einem Konzentrationswert von ≤ 5.000 ppm erfolgt und geregelt wird.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass alternativ oder zusätzlich zur Gabe von Kohlenstoffdioxid, Kohlensäure über die Nährlösungszufuhr entgasend oder direkt ins Kulturwasser zugegeben wird.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Nährlösung und/oder das Kulturwasser durch die Zugabe einer wässrigen Calciumcarbonat-Lösung im pH-Wert so aufgepuffert, bzw. im pH-Wert eingestellt wird, dass ein pH-Wert im Kulturwasser zwischen 5,5 und 8,0 eingestellt wird.
-
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass das Kultursystem bei einer Temperatur des Kulturwassers zwischen 20 und 30°C betrieben wird.
-
In vorteilhafter Weise ist angegeben, dass als Kulturpflanzen Lemnaceae spp. eingesetzt werden der Gattung Spirodela-Polyrhiza, und/oder Landolthia-Punctata, und/oder Lemna Minor-L, und/oder Lemna-Gibba, und/oder Wolffiella-Hyalina, und/oder Wolffia- Microscopica, und/oder Hybriden aus mindestens zweier Gattungen.
-
Für alle diese Spezies gilt, dass alle Aminosäuren enthalten sind, aber allen voran die wichtigen essentiellen Aminosäuren in den genannten Wasserlinsen vertreten sind.
-
Zu den ernährungsphysiologisch wichtigsten, also essentiellen Aminosäuren gehören:
- - Metheonin
- - Threonin
- - Valin
- - Leucin
- - I-Leucin
- - Phenylalanin
- - Lysin
-
Daneben auch bspw. Glutaminsäure, Glycin, und Asparginsäure.
-
Diese sind sämtlich in den genannten Spezies vertreten.
-
Es ist auch von besonderer Bedeutung, dass es zwischen der Aufnahme von Stickstoff und der einfallenden Lichtqualität und Lichtquantität
-
Zusammenhänge gibt. Da für die Proteinsynthese, wie eben schon erwähnt, der Stickstoff maßgebend und physiologisch begrenzender Faktor ist, bedarf es entsprechend einer hinreichenden Ausleuchtung, im wesentlichen auf die photosynthetisch wirksamen Wellenlängen bezogen. Hinreichend bedeutet hier überraschenderweise aber immer noch Schwachlichtbedingungen.
-
Die Schwachlichttoleranz der Lemnacea zeigt hier eine hohe Effizienz, bezogen auf den Photosynthesewirkungsgrad. Diese Schwachlichttoleranz-Eigenschaft ist schon in freier Natur zu beobachten, wo Lemnaceae (Wasserlinsen) in noch extrem schattigen Arealen sehr gut propagieren.
-
In vorteilhafter Weise ist angegeben, dass zumindest jede einzelne Kulturwanne sortenrein mit jeweils nur einer einzigen Lemnacea-Sorte betrieben wird. Damit wird erzielt, dass lediglich ein einziger Wachstumsgradient in der Kultur vorliegt, denn eine Mischsortenkultivierung führt zu einer konkurierenden Propagation, die für den Gesamtertrag nachteilig wäre.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass für die Herstellung von proteinmaximierter Biomasse und/oder Protein-Isolaten, das beschriebene Kulturverfahren in den Protein-Isolat-Herstellungsprozess so mit einbezogen und adaptiert wird, dass zur in-Situ Anpassung der Erntemenge der aquatischen Biomasse an den Protein-Isolat-Herstellungsprozess sowohl die Ernährung der aquatischen Kulturpflanzen, als auch der Betrieb der besagten Zusatzbeleuchtung so angepasst wird, dass vorbestimmte Aminosäurespektren, d.h. Aminosäureverteilungen in der geernteten Biomasse generiert werden.
-
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass zum Erhalt definierter optimierter Aminosäurespektren, die Kulturwannen von definierbaren Arealen des Kultursystems mit jeweils einer konstanten Lichtqualität und jeweils einer konstanten Nährstoffversorgung beaufschlagt werden. Hieran ist vorzugsweise auch die Stickstoffversorgung anzupassen.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass eine konstante Nährstoffversorgung in einem definierbaren Areal ein konstantes Verhältnis von Mikro- und Makronährstoffen meint.
-
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass eine konstante Lichtqualität eine konstante Auswahl von Wellenlängen meint.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Aminosäurespektren in Bezug auf Lichtqualität und Nährstoffspektrum für jedes beschriebene Areal voranalysiert und hernach, durch Konstanthalten der jeweils optimierten Lichtqualität und Nährstoffspektren geregelt wird.
-
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass zusätzlich zumindest in den mit Globalstrahlung oder mit Kunstlicht ausgeleuchteten Arealen in den aktiven Beleuchtungszeiten ein Temperaturgang durch Beheizung oder Kühlung gefahren wird, der regelungstechnisch auf eine konstant optimierte Kultur- und Luft Temperatur abzielt.
-
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass die relative Feuchte durch Belüftung, Heizung und aktive oder passive Kondensation zumindest konstant geregelt wird.
-
In letzter vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der CO2-Gehalt ebenfalls mit in die Optimierung der Aminosäurespektren und des Biomassenertrages mit einbezogen und ausgesteuert wird.
-
Im Hinblick auf eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art, besteht der Kern der Erfindung darin, dass zur in-situ-Anpassung der Erntemenge an den Herstellungsprozess der Protein-Auszüge und/oder Protein-Isolate, die Ernährung der aquatischen Kulturpflanzen über eine Düngesteuerung mit vorgebbaren Steuergrößen erfolgt, und des Weiteren eine Zusatzbeleuchtung zur Einstellung der Lichtqualität zusammen mit den Düngesteuergrößen in einer Steuereinrichtung derart gekoppelt wird, dass vorbestimmbare Aminosäurespektren in der geernteten Biomasse generierbar sind.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Kultureinrichtung aus einem Etagen- oder Regalsystem von mit Kulturwasser gefüllten Wannen besteht, die von einem zumindest teilweise geschlossenen Gewächshaus umgeben ist, und dass jede der Wannen, oder mehrere Wannen auf jeweils gleicher oder ähnlicher Regalstufe mit einem Nährwasserzulauf verbunden ist, derart, dass entweder jede Wanne oder jede Etage von Wannen mit einer dem jeweils zugehörigen Ausleuchtungswert mit einer dem Ausleuchtungswert korrelierten Nährstoffgehalt ausleuchtbar ist.
-
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass die Nährstoffversorgung durch Nachführung von Nährlösung bedarfsgeregelt automatisch zuführbar ist, indem der aktuelle pH-Wert, sowie die Leitfähigkeit ermittelt und als Steuergrößen in der Steuereinrichtung berücksichtigbar sind.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Nährstoffbedarf zusätzlich über eine Bildfarbauswertung von Wasserlinsen-Kulturen durch Vergleich mit adaptiven Bilddaten durch Kameras ermittelbar ist, und in der Generierung von Steuergrößen für die Nährstoffgabe innerhalb der Steuereinrichtung einsetzbar ist.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass zumindest ein Teil der Nährstoffzufuhr über Besprühung von Nährlösung auf die Wasserlinsen erfolgt, indem diesbezügliche Sprühdüsen an oder entlang der jeweiligen Wannen vorgesehen sind.
-
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass die Kulturwannen mittels temperierten Schläuchen direkt beheizt oder zusatzbeheizt wird, zusätzlich zur Aufheizung durch die umgebende Warmluft innerhalb der Kulturanlage.
-
In letzter vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Beleuchtung und/oder die Sprühdüsen entlang der Kulturwannen verschieblich angeordnet sind.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung angegeben, und nachfolgend näher beschrieben.
-
Es zeigt:
- 1: perspektive Ansicht einer gestapelten Kulturwannenanordnung
- 2: schematische Seitenansicht einer gestapelten Kulturwannenanordnung
- 3: Steuerung der Kultureinrichtung
-
1 zeigt eine perspektivische Ansicht der aquatischen Kulturwannenanordnung 1 mit gestapelten Kulturwannen 2, wobei die Kulturwannen einen entsprechenden Höhenabstand zueinander haben, damit an den Kulturen ggfs. auch gearbeitet werden kann, und außerdem auch noch entsprechend reduziertes Licht aus der Globalstrahlung einfallen kann. Die Kulturwannen 2 sind mit Nährlösung (Kulturwasser) gefüllt, und bspw mit Lemnacea (Wasserlinse) besetzt. Die gesamte Anordnung ist wiederum in einem Gewächshaus, als Indoor-Kultursystem angeordnet. Exemplarisch für alle Kultuwannen, ist an der unteren Wanne dargestellt, dass die Kulturwannen zusätzlich mit einer Hilfausleuchtung 5 versehen sind, die sowohl in der Lichtqualität (Wellenlängen, Wellenlängenmischungen) als auch in die Lichtquantität einstellbar sind.
-
Erfindungsgemäß muss die ausgeleuchtete Zone sich nicht über die gesamte Länge der Kulturwanne erstrecken, sondern die Kulturwanne als solche ist imaginär in Zonen eingeteilt, die aber kulturwasserschlüssig miteinander verbunden sind, bzw. fließend ineinander übergehen.
-
Ferner ist dargestellt, dass die Kulturwannen direkt beheizbar sind, durch ein bspw Warmwasser führendes Schlauchsystem 4, über das ggfs. auch zumindest ein Teil der Nährlösung für die Kulturen mit eingeleitet wird, bspw durch Diffusionsöffnungen.
-
Zusätzlich oder optional sind Nährlösungssprüher 6 über den jeweiligen Wannen so angeordnet, dass zumindest ein Teil der Nährlösung, und/oder Konditioniermittel, wie bspw. Hygienisiernde Substanzen, oder Algizide aufgesprüht werden können.
-
2 zeigt eine Seitenansicht, der schematischen Darstellung der Kulturwannenanordnung 1. In dieser Darstellung sind jeweils an einem Ende der Kulturwannen 2 die Ernteskimmer 10, für das Abskimmen der Wasserlinsen angeordnet. Es kann aber auch an beiden gegenüberliegenden Seiten angeskimmt, d.h. geerntet werden.
-
Vorgesehen sind grundsätzlich nur Partialbeerntungen der Kulturwannen, gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik. Bspw. wird dabei in regelmäßigen Zyklen ein Drittel der Längserstreckung der Kulturwanne abgeskimmt. Es können tägliche Partialbeenrtungen vorgenommen werden, oder auch im 2-, 3-, oder mehrtätigen Rhythmus.
-
Da eine Kulturanlage aus einer Vielzahl solcher in 1 und 2 dargestellten Etagenanordnungen nebeneinander platziert besteht, die in einem geschlossen Gewächshaus installiert sind, lassen sich die Etagensysteme auch zeitversetzt beernten, so dass beispielsweise bei einem 3-Tages-Partialernte-Rhythmus immer Sektionen von Stellagen beerntet werden, am Folgetag eine andere, und am dritten Tag wieder eine andere.
-
So wird bezogen auf die jeweilige Kultur zwar der 3-Tages-Partialernte-Rhythmus immer eingehalten, aber dennoch produziert das gesamte System beerntete Biomasse an jedem Tag.
-
2 zeigt deutlich die erfindungsgemäße Plazierung einer Zusatzbeleuchtung mittels wellenlängenmäßig und intenstitätsmäßig steuerbaren Leuchtdioden-Anordnungen 5. Diese wiederholt sich in jeder Kulturwanne.
-
Wie auch hierzu erkennen ist, ist die gesamte längerstreckte Kulturwanne in drei Zonen eingeteilt.
-
Zone 1 ist die hinterste Zone am rechten Bildrand.
-
Zone 2 ist die mittlere Zone.
-
Zone 3 ist die Zonen direkt vor dem Ernteskimmer.
-
Beerntet wird die Zone 3, bspw mit einem hier nicht dargestellten Schieber, der die Wasserlinsen zum Skimmer 10 schiebt, der die Biomasse dann nach unten abfließen lässt. Als Alternative zum Schieber kann auch ein sogenannter Luftbesen eingesetzt werden, der die Wasserlinsen über die Skimmingkante ausschiebt.
-
Bei diesem ersten Ausgestaltungsbeispiel ist die Leuchtdioden-Anordnung 5 in der letzten Zone 3 platziert, so dass die Wasserlinsen in dieser Zone quasi direkt vor der Ernte und einer ggfs gesteuerten Beleuchtung mit Zusatzlicht stehen.
-
Hierzu muss man folgendes berücksichtigen.
-
Wenn die Zone 3 durch einen Schieber und anschließendem Skimming beerntet wird, expandiert die Wasserlinsenkultur von den Zonen 2 und 1 in die abgeskimmte, und somit entleerte Zone 3, weil der Schieber zur Schieberichtung einen Sog erzeugt, die die gesamte Kultur somit in die beerntete Zone 3 mit hineinzieht. Somit enspannt sich die Populationsdichte sofort auf der ganzen Länge der Kulturwanne.
-
Dies bewirkt physiologisch, dass die Wasserlinsenkultur durch die Ausdünnung der Populationsdichte zur Nachpopulation somit erheblich stimuliert wird. Die Kultur wird also damit nicht nur partial beerntet, sondern in der Populationsdichte soweit entspannt, dass die Populationsrate im maximalen Gradienten der Wachstums-Sigmoide bleibt, und so optimal nachwächst.
-
Bei einer Ausleuchtung der Zone 3, gemäß 2 erhält die Wasserlinse nach ihrem Populationsgang entlang der gesamten Kulturwannenlänge im letzten Abschnitt eine finale erhöhte Lichtmenge.
-
Da die Kultivierung und die finale Proteinoptimierung abhängig von der Spezies ist, also von der Wasserlinsengattung und -sorte, ist erfindungsgemäß weiter ausgestaltet, dass die mit der Zusatzbeleuchtung beleuchtete Zone nicht obligatorisch die Zone 3 sein muss. Vielmehr ist zu erwarten, dass bestimmte Spezies dann ein Optimum an finaler Proteinensynthese betreiben, wenn sie zunächst mit der Zusatztbeleuchtung bspw in der Zone 2 belichtet werden, aber hernach bis zur Ernte in Zone 3 nochmals eine Schwachlichtphase durchlaufen.
-
Bei diesem Beispiel wäre die Zusatzbeleuchtung 5 in der Mitte, also in Zone 2 zu platzieren, bzw hinein zu verschieben.
-
Möglich ist es auch die Zusatzbeleuchtung in Zone 1 zu platzieren.
-
Eine sensorische Messung von Temperatur und/oder Leitfähigkeit und/oder pH-Wert erfolgt insbesondere, aber nicht auschließlich in der dargestellten Zone 3.
-
Für den Fall, dass an beiden Enden der längserstreckten Wanne geerntet wird, kann auch an beiden Enden gemessen, oder in der oben beschrieben Weise beleuchtet werden.
-
Bei einer solchen Ausgestaltung, ließe sich die o.g. alternative Ausleuchtungsbedingungen realisieren, indem die beleuchtete Zone in der Mitte liegt, und die Beerntungszonen an beiden gegenüberliegenden Zonen, wieder im Schwachlicht.
-
Die geernteten Wasserlinsen lassen sich extrem leicht trocknen, über bspw. einen Warmlufttrockner mit einem Fließ. Da Wasserlinsen im adulten Zustand daueroffene Stomata aufweisen, trocknen die Wasserlinsen extrem schnell durch, sogar wenn die Trocknung im luftfeuchten Gewächshaus über einem Warmluftstrom von lediglich 40°C durchgeführt wird. Die Trocknungszeit liegt dann bei nur 1 bis 1,5 Stunden.
-
3 zeigt die Steuerung 15 und Steuerungslogik der Anlage.
-
Die an den jeweiligen Kulturwannen direkt mit dem Kulturwasser verbundenen Sensoren für Temperatur 12, Leitfähgikeit 13 und pH Wert 14 werden als Sensorwerte in die Steuerung eingelesen, um den Status der Nährlösungen überwachen zu können.
-
Ebenso gesteuert, bzw. rückmeldend gesteuert ist der Erntesammler 11. Weiterhin kann an jeder Wanne ein Photosensor zur Messung der PAR Lichtintensität vorgesehen sein. PAR bezeichnet die für die Photosynthese relevanten Wellenlängen.
-
Stichproben aus dem Erntsammler können auch atomatisch entnommen werden um einen Stickstoff- und damit Proteinschnelltest vorzunehmen. Dieser erfolgt über eine Bestimmung des gebundenen Stickstoffs in der Biomasse. Der Rohproteingehalt ergibt sich aus einer Umrechnung um dem Faktor 6,25. Ferner steuert die Steuereinrichtung demzufolge die Zusatzbeleuchtung 5 in Lichtqualität (Wellenlänge) und Lichtquantität.
-
Die direkte Kulturwannenheizung erfolgt durch eine durch die Kulturwanne durchgeführte Warmwasserleitung 4. Auch diese wird temperaturgeführt angesteuert.
-
Weiterhin steuert die Steuereinrichtung aus der Gesamtheit der Daten auch die Abwasseraufbereitung die zumindest als Stickstoff-, Phosphor und Kaliumquelle eingesetzt wird.
-
Dabei wird die im Gewächshaus und im System abgetropfte Kondenswassermenge gesammelt und rückgeführt durch eine ansteuerbare Kondenswasser-Rückführung 24.
-
Diese kommt gleich zweimal zum Einsatz. Erstens bei der Bereitstellung einer Nullwassermenge zur Anmischung mit dem Abwasser, über die Abwasseraufbereitung 21, und zweitens zur finalen Einstellung einer austarierten Nährlösung durch Zugabe einer Nullwassermenge, was in diesem Zusammenhang als Wasserhebel bezeichnet werden soll, der das finale Konzentrationsverhältnis in der Nährlösung einstellt.
-
Die Abwasserzuführung, bspw. Gülle Gärreste etc., wird angesteuert über die Steuerung 15. Ferner wird die Zugabe von Reagenzien 22 zum Fällen und/oder Hygienisieren der Abwässer 23 in der Abwasseraufbereitung 21 angesteuert.
-
Schlussendlich wird ein Dosiermeter 19 zur gesteuerten Zugabe von Spurenelementen ansteuert, und über ein Dosimeter 20 erfolgt ein Zuführung der Nährlösung aus der Abwasserbehandlung betreffend Stickstoff, Phosphor und Kalium.
-
Beide Stoffströme aus den beiden Dosimetern wird einem Mischer zugeführt, der die finale Nährlösung für die aquatischen Kulturwannen erstellt, und dies über Temperatur und/oder Leitfähiglkeit, und/oder pH-Wert final kontrolliert. Der Mischer wird so auch über die Steuerung 15 angesteuert, und das Kulturwasser so zu den Kulturwannen gepumpt.
-
Die zugeführte Menge soll in der Regel die verdunstete Kulturwassermenge ersetzen.
-
Optimal ist eine tägliche Nachführung der Nährlösung.
-
Diese kann entweder durch in den Wannen verlegte Leitungen, oder durch die Warmwasserleitung mit Diffusionsöffnungen verteilt werden. Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit liegt darin, die aquatischen Kulturen, hier Wasserlinsen, von oben mit Nährlösung zu besprühen, über die entlang der Wannen angeordneten Nährlösungssprüher.
-
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Nährlösung so eingestellt ist, dass die in der Verdunstungsmenge, enthaltenen Nährstoffe der mittleren Nährstoffaufnahme im selben Zeitraum entspricht. So wird vermieden, dass es zu einer Nährstoffkumulation in den Kulturwannen kommt.
-
Wenn dies über die Leitfähigkeit und pH-Wert geführt wird, kann dies auf einfache Weise bewerkstelligt werden.
-
Die Steuerung der Lichtanlage 5 kann über einen in der Steuerung 15 abgelegten Algorithmus mit der Nährstoffzuführung, insbesondere des Stickstoffes so gekoppelt sein, dass die in der jeweilgen Zone der Wanne lokale Gabe an Stickstoff und weiteren Makro-, Oligo- und Mikronährstoffen auf den erzielten Energiewert der Ausleuchtung adaptiert ist.
-
Hierzu können Lichtsensoren im sogenannten PAR-Bereich vorgesehen sein, die die effektive Ausleuchtung messen.
-
Alternative Ausgestaltungen:
-
Alternativ zur Kultivierung der aquatischen Pflanzen in einem gestapelten Kulturwannensystem ist auch die Kultivierung in einer Monolage, also einer Ebene von Kulturwannen möglich oder in einem CO2 begasten Folientunnel.
-
Eine weitere Alternative besteht darin, das Verfahren auch in einem geschlossenen Raum, auch ohne Zumischung von Globalstrahlung, sondern unter ausschließlichem Einsatz von Kunstlicht durchzuführen.
-
Weiterhin kann die LED-Lichtanlage auch im gepulsten Ansteuerungsmodus betrieben werden. Da LEDs als rein elektronische Halbleiterbauelemente vorliegen, kann durch eine getaktete Beaufschlagung mit elektrischer Energie, in den Lichtpausezeiten elektrische Energie eingespart werden.
-
Eine weitere Ergänzung des Betriebsverfahrens ist es, die im eingangs genannten Stand der Technik bereits erwähnte Vorkultur mit zu integrieren. Dies bedeutet, dass das aufbereitete Nährwasser zur Abreicherung der Nährstoffe und vor allen zur Hyperakkumulation von Schwermetallen, vor der Zugabe von Spurenelementen durch Dosimeter 1, durch eine aquatische Vorkultur mit Hyperakkumulatoren geleitet wird, wie bspw. Eichhornia crassipes und/oder Pistia stratiotis, und/oder Nasturtium officinales (Brunnenkresse) und/oder Alligator weed und/oder Comfrey, hindurchgeleitet wird, u.U. alle aquatischen oder Sumpfpfanzen, oder durch hydroponische Kulturen aller Art, bevor das Abwasser den Lemnacea Kulturen zugeführt wird.
-
Auf diese Weise können auch weitere Schadstoffe, sowie Schwermetalle oder noch zu hoch konzentrierte Nährwässer von der Vorkultur abgereichert werden, vor allem bei den schwer zu reinigenden kleinen Konzentrationen biogen so abgefiltert werden.
-
Die Lemnaceae sind nach dem vorstehend in Gänze genannten Verfahren HACCP zugelassen, und in der Positivliste für Einzelfuttermittel der DLG (Stand April 2017) aufgenommen worden. Angestrebt und vorteilhaft ist des Weiteren die Verwendung der so produzierten Lemnaceae (Wasserlinse) im Bereich der menschlichen Ernährung als bspw. Novelfood.
-
Mit Blick auf den hohen Proteingehalt von bis zu 40% und mehr, eignet sie sich aufgrund Ihres hochwertigen Aminosäurespektrum auch für die Herstellung von High End Protein-Isolaten.
-
Insbesondere ist das System aber auch im Fishfarming einzusetzen, bei dem die Fischgülle als Abwasser in der vorstehend gegannten Weise aufbereitet, und als Nährlösung der Lemnacea zugeführt wird, die am Ende wiederum nach Hygienisierung als hochwertiges Fischfutter eingesetzt wird.
-
Auch hierbei ist der besagte Kaskadennutzen vollziehbar.
-
Des weiteren ist es möglich die pflanzlichen Proteine der Wasserlinse durch Verfütterung an Insekten in tierische Proteine, zu konvertieren.
-
Bei längserstreckten Kulturwannen können die besagten Zonen auch als eine Art Wassertreppe ausgestaltet sein, wie schematisch in 4 gezeigt. Das heisst, dass die Teilkulturen in den Zonen wie ein Schieberegister nach entsprechender Verweilzeit die Wasserlinsen von einer Zone in die nächste Zone spülen. Damit dies auch koordiniert ablaufen kann, muss natürlich zuerst die letzte, finale Erntezone 3 erst durch Beerntung entleert werden, bevor die anderen Zonen nachgeführt werden. Die Zonen 1 und 2 dürfen dabei nie vollständig entleert sein, sondern es muss die Impfbiomasse für den nächsten Zyklus verbleiben.
-
So wird nun zumindest der vorhergehenden Zone soviel Kulturwasser nachgeführt, dass die Kulturen in die Folgezone über die jeweilige Skimmerkante 25 überspült werden. Die Skimmerkanten zwischen Zone 1 und Zone 2 liegen dabei höher als zwischen der Zone 2 und Zone 3, so dass es nicht zu einem Rückfluss kommt, denn es soll schrittweise von Zone 1 in Zone 2 und dann in Zone 3 überspült werden. Wasserlinsen lassen sich über Skimmingkanten hinweg außerordentlich gut überspülen, weil sie enorm fließfähig sind. Am Ende der Zone 3 findet dann die finale Ernte statt.
-
Ansonsten ist alles Übrige wie in den 1 bis 3.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kulturwannen-Etagensystem
- 2
- Kulturwanne
- 3
- Pfeiler
- 4
- Heizung
- 5
- Lichtanlage LED, Zusatzbeleuchtung, ggfs längsverschieblich entlang der Zonen
- 6
- Nährlösungssprüher
- Zone 1
- Kulturwannenabschnitt
- Zone 2
- Kulturwannenabschnitt
- Zone 1
- Kulturwannenabschnitt
- 10
- Skimmer, Ernteskimmer
- 11
- Erntesammler
- 12
- Temperatursensor an Kulturwannen
- 13
- Leitfähigkeitssensor an Kulturwannen
- 14
- pH-Sensor an Kulturwannen
- 15
- Steuerung
- 16
- Temperatursteuerung
- 17
- Sensoreinheit (T, IF, pH) an Kulturwassermischer
- 18
- Kulturwassermischer
- 19
- Dosimeter I, NPK, Spurenelemente, Oligonährstoffe
- 20
- Dosimeter II
- 21
- Abwasseraufbereitung
- 22
- Reagenzien
- 23
- Abwässer, Nährwässer
- 24
- Kondenswasser-Rückführung
- 25
- Skimmerkante
