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Beschreibung der Erfindung
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Ein Maß für den Sättigungsgrad einer kapillar wirksamen Matrix mit einer Flüssigkeit ist das Matrixpotenzial der Flüssigkeit, Ψm. Das Matrixpotenzial ist eine Zustandsgröße der Flüssigkeit in einer Feststoffmatrix (Slatyer und Taylor 1960). Es entspricht der Arbeit, die bei der isothermen reversiblen Überführung einer infinitesimal kleinen Menge der Flüssigkeit aus der sie adhäsiv bindenden porösen Matrix in den Standardzustand dieser Flüssigkeit (ungebundene Flüssigphase bei gleichem Gasdruck, gleicher chemische Zusammensetzung und gleicher Höhe im Schwerefeld) geleistet wird.
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Ψm besitzt die Dimension eines Druckes. Negative Werte von Ψm beziffern die kapillare Saugspannung, mit der die Flüssigkeit in einer bestimmten Position in der Matrix festgehalten wird. Gradienten des Matrixpotenzials sowie gravitationsbedingte Druck-Gradienten bestimmen die Richtung und die Geschwindigkeit des Flüssigkeitstransportes durch eine Matrix.
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Für die Bewässerung eines Kulturgefäßes für Pflanzen ist es vorteilhaft, das durch Transpiration oder Evaporation von der Substratmatrix an die Atmosphäre abgegebene Wasser kontinuierlich zu ersetzen. Für die Vermeidung von Sauerstoffmangel im Substrat ist ein Nachleitungsverfahren vorteilhaft, welches Wasser feuchtekontrolliert in das Substrat einführt. Die Kontrolle der Substratfeuchte verhindert, dass sich das Matrixpotenzial des Wassers bzw. der wässrigen Nährlösung dem Sättigungswert (0) so weit annähert, dass die größeren gasgefüllten Hohlräume im Substratgerüst sich mit der Flüssigkeit füllen. In diesem Wertebereich des Matrixpotenzials besitzt die kapillar gebundene Nährlösung noch eine gute hydraulische Beweglichkeit, wobei Hohlräume mit einem Durchmesser über 0,1 mm luftgefüllt bleiben und als Gasdiffusionswege für den atmungsbedingten Austausch mit der Atmosphäre wirken. In einem als Wasserspeicher eingesetzten Substrat im Wurzelraum von Pflanzen ist ein Matrixpotenzial zwischen -10 und -1 kPa erwünscht.
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US 10,548,268 B1 beschreibt ein System zur Wasserversorgung eines Bodens oder eines Substrates, bei welchem das Matrixpotenzial kontrolliert werden kann. Hierzu wird an einer feinporösen, festen Wand, durch welche das Wasser in den Boden eingeleitet wird, zulaufseitig aktiv ein Unterdruck mit Hilfe einer Saugpumpe erzeugt, wodurch im wandnahen Boden oder Substrat eine Obergrenze des Matrixpotenzials festgelegt wird.
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Zur passiven Nachleitung einer Flüssigkeit in eine feuchte Matrix, aus der sie abgesaugt wird oder von der aus sie verdunstet, kann ein Vlies eingesetzt werden. Als Vlies wird im Folgenden eine Feststoffmatrix in Form eines flexiblen zusammenhängenden, aus Feststoff-Fasern und flüssigkeitsleitenden Interstitialräumen bestehenden Körpers verstanden, beispielsweise ein Gewebe aus Baumwoll-oder Viskosefasern. Gradienten des Matrixpotenzials und Höhendifferenzen im Schwerefeld bestimmen bekanntlich die Richtung des Flüssigkeitstransportes durch ein Vlies.
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Bei der passiven Nachleitung einer Flüssigkeit durch ein Vlies zu einer Matrix, beispielsweise einer feuchten Verdunstungsfläche oder einem feuchten Substrat zur Kultur von Pflanzen kann die Feuchtigkeitskontrolle daher bekanntlich mit Hilfe der Schwerkraft erfolgen. Bei dem im Folgenden als Kapillarsaum-Methode bezeichneten Verfahren befindet sich die Matrix über dem Flüssigkeitsniveau, und das Matrixpotenzial der Flüssigkeit wird im gleichgewichtsnahen Zustand durch die Höhendifferenz auf den gewünschten negativen Wert eingestellt. Für eine effiziente kapillare Versorgung eines Bodens oder eines gärtnerischen Substrates mit Wasser durch Vlies ist eine ausreichend große Kontaktfläche und ein ausreichender Leitungsquerschnitt im Vlies bedeutsam. Ist der hydraulische Nachleitwiderstand zu groß, kommt es zur Gasfüllung von kapillaren Leitungsbahnen. Im gleichgewichtsnahen Zustand, der bei hoher kapillarer Leitfähigkeit des Wassers erreichbar ist, erreicht das Matrixpotenzial bei einer Höhe von 10 cm über dem Niveau der freien Flüssigkeit einen Wert von etwa - 1 kPa. Diese Abweichung vom Sättigungswert (0) reicht aus, um ein geeignetes Substrat gegen vernässungsbedingten Luftmangel zu schützen und gewährleistet gleichzeitig die für die ungestörte kapillare Nachleitung zur Wurzel erforderliche hydraulische Leitfähigkeit.
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Der Einsatz der Kapillarsaum-Methode zur passiven Kontrolle des Matrixpotenzials bei der Nachleitung von Wasser in den Wurzelraum von Pflanzen ist seit langem bekannt. In Verdunstern verhindert die Absenkung des Matrixpotenzials durch die Schwerkraft in vlies- oder dochtförmigen Verdunstungsflächen das Abtropfen der Flüssigkeit.
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Bei der Kontrolle des Matrixpotenzials einer Flüssigkeit durch Gravitation kann es nachteilig sein, dass eine Höhendifferenz im Schwerefeld zwischen der in der Matrix gebundenen Flüssigkeit und ihrem Niveau in der freien Flüssigphase erforderlich ist. Hierdurch werden beispielsweise Möglichkeiten für die Integration des Wasservorrats in ein Kulturgefäß eingeschränkt. Wird das Kapillarsaum-Verfahren zur Kontrolle des Matrixpotenzials von Wasser oder einer wässrigen Nährlösung in einem lufthaltigen Substrat für atmungsaktive Organismen eingesetzt, muss die Übertragungsstrecke für das Wasser um die erforderliche Höhendifferenz erweitert werden. Außerdem kann die gravitationsbedingte Absenkung des Matrixpotenzials im schwerelosen Raum nicht durchgeführt werden.
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Wie in
PCT/EP2019/084252 ausgeführt, ist eine Position der Verdunstungsfläche unter dem Flüssigkeitsniveau des Vorrats vorteilhaft für Ameisensäure-Verdunster, die in bestimmte räumlich begrenzte Positionen einer Bienenbeute gebracht werden. Die genannte Erfindung beschreibt eine Lösung dieses Problems durch Verwendung einer gasdurchlässigen Flüssigkeitsbarriere in Form einer dünnen, hochporösen und extrem feinporigen, hydrophoben Membran, auf deren Innenseite sich der Dampf bildet. Diese Membran verhindert das Abtropfen der Ameisensäure in die Beute. Für die sichere Vermeidung des Flüssigkeitsaustritts dürfen die porösen, dünnen Membranen bei ihrem Einsatz nicht mechanisch verletzt werden. Dieses Sicherheitsproblem entfällt, wenn als Verdunstungsfläche ein Vlies eingesetzt wird, in welchem das Matrixpotenzial der Flüssigkeit negativ ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Kontrolle des Matrixpotenzials bei der passiven Nachleitung einer Flüssigkeit zu einer diese Flüssigkeit kapillar bindenden Matrix, das keine Höhendifferenz zwischen dieser Matrix und dem Flüssigkeitsniveau im Flüssigkeitsvorrat erfordert. Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe wird in Anspruch 1 und 1 erläutert. Die Unteransprüche beschreiben Einsatzmöglichkeiten und Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie Kulturgefäße und Verdunster, in denen die Erfindung genutzt wird.
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Das Wesen der Erfindung besteht in der Kontrolle des Lufteintritts in den Flüssigkeitsbehälter durch ein passives Ventil 3, welches Luft in den Flüssigkeitsbehälter nur bei Überschreitung einer definierten Differenz zwischen dem Atmosphärendruck und dem Gasdruck im Flüssigkeitsbehälter eindringen lässt. Die Wirksamkeit des passiven Ventils für das erfindungsgemäße Verfahren ist nur dann gegeben, wenn der Volumenfluss der Luft durch das passive Ventil den Volumenfluss der Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsaustrittsöffnung 1 kontrolliert. Eine Voraussetzung für das Funktionieren des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht infolgedessen darin, dass der Innenraum des Behälters von der Atmosphäre durch annähernd gasdichte feste Wände separiert ist. Als annähernd gasdicht werden Behälterwände angesehen, wenn bei der verfahrensbedingten Druckdifferenz das durch die Wand angesaugte Luftvolumen gegenüber dem Luftvolumen, welches durch das Ventil angesaugt wird, vernachlässigt werden kann. Überschreitet die kritische Druckdifferenz für die Öffnung des passiven Ventils den Schwerdruck der Flüssigkeit auf das Vlies, ergibt sich ein negatives Matrixpotenzial der Flüssigkeit im Vlies 2. Dies verhindert das Abtropfen der Flüssigkeit vom Vlies, was u.a. für eine Platzierung von Verdunstern für Ameisensäure in Bienenbeuten nutzbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann eingesetzt werden, um Wasser an ein feuchtes lufthaltiges, mit der Atmosphäre im Gasaustausch stehendes Substrat für Pflanzen oder Mikroorganismen aus einem flüssigen Vorrat passiv weiterleiten und dabei eine Obergrenze für das Matrixpotenzial des Wassers in diesem Substrat einzustellen. Die Wasserverluste durch Evaporation und Transpiration können mit diesem Verfahren ersetzt werden, ohne die Luft aus dem Substrat zu verdrängen.
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Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren und Vorteile seiner Anwendung bei der Gestaltung von Verdunstern und bei der Wasserversorgung stoffwechselaktiver Kulturen in Verbindung mit den 1 bis 5 erläutert.
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Figur 1
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Die Figur zeigt als Querschnitt in aufrechter Position den grundsätzlichen Aufbau eines Verdunsters zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das Eindringen der Flüssigkeit in das Vlies 2 erfordert die Öffnung des passiven Ventils 3. Wenn die zur Ventilöffnung erforderlich Druckdifferenz den Schweredruck einer flüchtigen Flüssigkeit auf das Vlies übertrifft (0,1 kPa pro cm der Flüssigkeitshöhe im Fall von Wasser), kann diese, ohne die Gefahr des Abfließens oder Abtropfens an einen Verbrauchsort, beispielsweise eine Verdunstungsfläche 13, nachgeleitet werden. Sinkt die Verdunstungsrate ab und steigt das Matrixpotenzial im Vlies an der Flüssigkeitsaustrittsöffnung 1 auf einen am Ventil einstellbaren kritischen Wert, wird das Ventil geschlossen. Als passives Ventil für das erfindungsgemäße Verfahren ist jedes pneumatische Ventil geeignet, das sich bei einem kritischen Überdruck auf der Einströmseite öffnet und sich wieder schließt, wenn dieser Überdruck unterschritten wird. Hierfür können nach dem Stand der Technik empfindliche pneumatische Sicherheitsventile verschiedener Bauart eingesetzt werden, beispielsweise ein Federventil, ein Entenschnabel-Ventil, oder ein Blasenventil, bei welchem der Ansprechdruck der zur Gasblasenbildung in der Flüssigkeit erforderliche Druck ist.
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Figur 2
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Die Figur zeigt schematisch den Einsatz einer Kapillare als passives Blasenventil 3 im erfindungsgemäßen Verfahren, das im dargestellten Fall zur feuchtekontrollieren Nachleitung von Wasser in ein feuchtes Substrat genutzt wird, welches durch Evaporation oder Transpiration einer Pflanze Wasser verliert.
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Ein Blasenventil, dessen kritischer Druck durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit bei Gasblasenbildung bestimmt wird, hat den Vorteil, dass es unterhalb des Ansprechdruckes absolut dicht schließt, wobei dieser Druck von der Öffnungsgeometrie der Pore oder Kapillare abhängig ist. Besonders geeignet sind Kapillaren oder Poren mit definierter Öffnungsweite.
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Die durch Wasserabgabe an die Atmosphäre oder ein Substrat erzeugte Absenkung des Matrixpotenzials des Wassers im Vlies wird mit Hilfe einer Kapillaröffnung eingestellt, die sich im Flüssigkeitsbehälter nahe der Flüssigkeitsaustrittsöffnung befindet. Zur Blasenbildung muss der Meniskus der Flüssigkeit an der Kapillaröffnung gekrümmt und gegen den Druck der Flüssigkeit zu einer Blase vergrößert werden, woraus sich der Ansprechdruck des Ventils ergibt. Das dargestellte passive Ventil ist eine Kapillare mit hydrophiler Außenwand und einer engen mit Wasser benetzten Öffnung. Die Kapillare wurde im dargestellten Fall gasdicht durch einen Silikonstopfen geführt, der eine Nachfüllöffnung 4 verschließt. Die für die Blasenbildung und damit für das Eindringen von Luft in den Flüssigkeitsbehälter erforderliche Druckdifferenz ist dem Radius der Öffnung umgekehrt proportional und beträgt bei einer Glaskapillare mit einem Öffnungsradius von 50 µm etwa 3 kPa. Um die gleiche Wirkung auf das Matrixpotenzial durch die Schwerkraft zu erzielen, müsste das Vlies das Wasser 0,3 m nach oben leiten.
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In dem in 2 dargestellten Fall, wo der Lufteintritt über dem Niveau der Flüssigkeit erfolgt, muss das Eindringen der Flüssigkeit in das Innere der Kapillare beim Überschreiten des eingestellten Matrixpotenzials nicht verhindert werden. Dies ist jedoch erforderlich, wenn ein Vorratsbehälter eingesetzt wird, bei dem eine enge Öffnung zur Außenluft als passives Ventil von unten in den Flüssigkeitsbehälter eingeführt wird. Besteht die Wand des Flüssigkeitsbehälters in der Position des passiven Ventils aus hydrophobem Material, kann eine enge Perforation der Wand als passives Ventil für Wasser dienen. Mit Hilfe der LASER-Technik kann eine solche Perforation definiert gestaltet werden. Werden kurze, durch die Wand nahe der Behälterbasis geführte Segmente von fused-silica Kapillaren mit hydrophiler Außenphase und hydrophober Innenphase und definiertem InnenDurchmesser zwischen 0,05 und 0,2 für stark polare Flüssigkeiten eingesetzt, können sie als passives Ventil auch dann eingesetzt werden, wenn die Behälterwand mit der Flüssigkeit leicht benetzbar ist. Fused silica-Kapillaren mit definierter Öffnungsweite und hydrophober Innenbeschichtung, beispielsweise einer Wachsbeschichtung, werden für die Gaschromatographie eingesetzt. Wird eine solche Kapillare nahe dem Behälterboden in die Seitenwand einer Flasche eingebracht, ist ein Auslaufen der Flüssigkeit aus dem Behälter durch die Kapillare unmöglich. Hieraus ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten für die Gestaltung von Verdunstern. Beispielsweise kann man einen elastischen Vliesmantel über eine Flasche ziehen und das Vlies am Ort des passiven Ventils mit einer Lochblende zu versehen, damit der Eintritt der Luft in das Ventil nicht durch das feuchte Vlies behindert wird.
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Zur Füllung des Flüssigkeitsbehälters kann die Flüssigkeitsaustrittsöffnung genutzt werden, bevor das Vlies am Flüssigkeitsbehälter angebracht wird; oder es wird eine verschließbare Flüssigkeitsnachfüllöffnung genutzt, die sich im Flüssigkeitsbehälter oben befindet. Zur Vermeidung einer Sättigung der Vliesmatrix mit der Flüssigkeit in der zum Füllen oder Nachfüllen erforderlichen Zeit werden die Flüssigkeitsaustrittsöffnung/en und die Absorptionskapazität der Vliesmatrix für die Flüssigkeit so dimensioniert, dass das Vlies in dieser Zeit nicht gesättigt werden kann.
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In dem in 2 dargestellten Fall wird das erfindungsgemäße Verfahren dafür eingesetzt, Wasser über das Vlies 2 in ein kapillar wirksames feuchtes und lufthaltiges, mit der Atmosphäre kommunizierendes Substrat 5 einzuführen, in dem durch Mikroorganismen und/oder Pflanzenwurzeln eine hohe Aktivität des aeroben Stoffwechsels verursacht wird. Der Kulturbehälter mit dem Substrat ist direkt neben dem Flüssigkeitsbehälter angeordnet. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht sehr viel kürzere kapillare Transportwege als das gravitationsabhängige Kapillarsaum-Verfahren. Hierdurch kann der Nachleitungswiderstand reduziert werden. Dies hat zur Folge, dass selbst bei intensiver Evaporation oder Transpiration keine Luft in die kapillaren Leitbahnen im Vlies eindringen kann. Das dargestellte Verfahren zur Nachleitung von Wasser kann genutzt werden, um das Matrixpotenzial des Substrates in einem optimalen Bereich zwischen -1 und - 10 kPa selbst bei hoher Evaporations- oder Transpirationsrate zu halten. Hierdurch wird die Stabilität der lufthaltigen Substratstruktur gesichert. Gleichzeitig wird eine für den Stoffwechsel optimale Wasseraktivität gewährleistet. Wie beim Kapillarsaumverfahren kann der optimale Bereich des Matrixpotenzials im Substrat nur dann eingehalten werden, wenn Bewässerung des Substrates von oben ausgeschlossen wird, beispielsweise durch ein gegen Regen schützendes Foliendach.
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Figur 3
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Die Figur zeigt in der Aufsicht und im vertikalen zentralen Längsschnitt ein Kultursystem, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren zur passiven Aufrechterhaltung eines optimalen Bereiches für das Matrixpotenzial des Wassers im Substrat 5 eingesetzt wird. Das Substrat muss wegen des stoffwechselbedingten Sauerstoff-Verbrauches mit der Atmosphärenluft im Gasaustausch stehen und verliert ständig Wasser durch Evaporation oder Transpiration.
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Wie aus der Aufsicht (links) ersichtlich, wurde ein zentraler Flüssigkeitsbehälter mit mehreren Kulturbehältern 6 verbunden. Die aufrechte Wand der Kulturbehälter wird durch wabenartig miteinander verbundene Rohrsegmente gebildet. Der Querschnitt der Rohrsegmente ist vorzugsweise rechteckig oder hexagonal, um eine lückenlose Anordnung zu erreichen, welche das Einbringen des feuchten Substrates erleichtert. In einer vorteilhaften Variante der Erfindung (in der Figur nicht abgebildet) ist die Wand der Rohrsegmente innen mindestens teilweise mit einem saugfähigen Vliesstoff, beispielsweise mit einem Viskosevliestuch, ausgekleidet. Der wandgebundene Vliesstoff kann die erforderlich vertikale hydraulische Leitfähigkeit in den Kulturbehältern auch dann gewährleisten, wenn ein Substrat mit geringer kapillarer Leitfähigkeit eingesetzt wird.
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Wie aus dem Längsschnitt (rechts) ersichtlich, werden der Kulturbehälter und die Substratbehälter an eine vom Vlies 3 bedeckte Grundplatte gepresst. Der Flüssigkeitsbehälter besitzt eine mit dicht schließendem Stopfen verschließbare Flüssigkeitsnachfüllöffnung 4. Als passives Ventil 3 dient eine Kapillare aus fused silica mit Wachs-Innenphase. Sie ist im dargestellten Fall in die Wand des Flüssigkeitsbehälters integriert. Die Kulturbehälter enthalten ein mit Wasser befeuchtetes Substrat, dessen Feststoffgerüst aus faserigen oder partikulären Feststoffpartikeln mit hoher Absorptionskapazität für Wasser aufgebaut ist, beispielsweise unter Verwendung von Torf, einem Torfersatzstoff, oder von Komposterde. Die feuchteabhängige lufthaltige Struktur des Substrates aus kleinen Feststoffaggregaten bzw. Krümeln würde bei seiner Sättigung mit Wasser zusammenbrechen. Die mit dem Entweichen der Luft verbundene vernässungsbedingte Verdichtung des Substrates würde zum Absterben der kultivierten Sämlinge durch Sauerstoffmangel im Wurzelraum führen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das durch Transpiration oder Evaporation entweichende Wasser passiv nachgeleitet und dabei das Matrixpotenzial des Substrates auf einen negativen Wert einstellt, der sich aus dem Blasenbildungsdruck an der Öffnung der Kapillare und dem Schweredruck der Flüssigkeit an der Flüssigkeitsaustrittsöffnung ergibt. Sein Maximalwert, der sich bei vernachlässigbarem Nachleitwiderstand einstellt, beträgt bei einem Innenradius der Kapillare von 0,05 mm und einer Flüssigkeitshöhe von 10 cm etwa -2 kPa.
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Mit dem durch 2 und 3 veranschaulichten Verfahren können große Substratmengen in einen ausgedehnten Kulturbehälter oder einer Vielzahl von Kulturbehältern passiv ohne vernässungsbedingte Strukturänderung des Substrates mit Wasser versorgt werden, wobei die Feuchte auf einen für die Kultur optimalen Bereich einstellbar ist. Bei ausreichendem Vlies-Querschnitt können infolge kurzer Transportstrecken starke Wasserverluste durch Evaporation oder Transpiration passiv ausgeglichen werden.
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Figur 4
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Die Figur zeigt, wie das erfindungsgemäße Verfahren zur Applikation von Ameisensäure- und Wasserdampf in einer Bienenbeute eingesetzt werden kann, ohne dass hierfür der Luftraum über dem Magazin erweitert oder ein leerer Rahmen zum Einbringen des Verdunsters eingesetzt werden muss.
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Oben ist schematisch in der Aufsicht ein Ausschnitt des Magazins dargestellt, in dem sich das Brutnest befindet. In diesem Bereich wird auf die Oberträger 7 ein flacher Verdunster mit festen Wänden so positioniert, dass er mehrere Wabenrahmen überdeckt, wobei sich das Vlies unter einem Flüssigkeitsbehälter mit festen Wänden befindet und mit den Oberträgern des Magazins in wärmeleitendem Kontakt steht. Die Verdunstungsflächen (begrenzt von der gestrichelten Linie) liegen unter dem Verdunster und sind in die Wabengassen gerichtet.
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Die untere Graphik zeigt schematisch wesentliche Komponenten des Verdunsters in einem Querschnitt, wo er einem Oberträger 7 aufliegt (gestrichelte Linie). Ist die Flüssigkeitsaustrittsöffnung nicht verschlossen, wird das Vlies 2 durch das im Flüssigkeitsbehälter annähernd gasdicht eingeschlossene flüssige Ameisensäurepräparat befeuchtet. Zur Nachleitung der Flüssigkeit an die Verdunstungsflächen ist, wie bereits oben erläutert, ein Unterdruck im Flüssigkeitsbehälter erforderlich, welcher das Eindringen von Luft durch das passive Ventil 3 ermöglicht. Das passive Ventil ist eine durch die Wand nahe der basalen Wand eingeschweißte Kapillare aus fused silica mit Wachs als hydrophober Innenphase. Sie hat einen Durchmesser von 0,1 mm. Der Öffnungsdruck (etwa 3 kPa) des Ventils wird nur erreicht, wenn das Matrixpotenzial im Vlies einen negativen Wert annimmt, der weit unter dem Schweredruck der Flüssigkeit (< 0,1 KPa) auf dem Vlies liegt. Damit ist die Abgabe der Flüssigkeit vom Vlies in Tropfenform ausgeschlossen. Zum Schutz der Oberträger gegen die Absorption des Ameisensäurepräparates aus dem feuchten Vlies kann ein dünnes Klebeband mit einer Trägerschicht aus Kapton, Polyethylen oder Polypropylen eingesetzt werden, welches sich zwischen den Oberträgern und dem Vlies befindet (nicht dargestellt).
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Vorteile des beschriebenen Verdunsters bestehen darin, dass zum Einbringen der für die zur Bekämpfung der Varroa-Milbe erforderlichen Ameisensäuredosis (etwa 10 g pro Tag) eine sehr kleine Verdunstungsfläche ausreicht und dass die Verdunstungsrate vom Außenklima nahezu unabhängig ist. Wie in
PCT/EP2019/084252 ausgeführt, beruht dies auf der dargestellten Positionierung der Verdunstungsfläche über den Wabengassen des Brutnestes. Sie ermöglicht den direkten wärmeleitenden Kontakt des Verdunsters mit dem Brutnest und das Anströmen der Verdunstungsflächen mit warmer Luft, die ventilationsbedingt in den Wabengassen aufsteigt und eine relativ konstante relative Luftfeuchte im Bereich von 40 bis 50 % besitzt. Im Unterschied zu dem durch
PCT/EP2019/084252 bekannten Verdunster steht in dem hier beschriebenen Verdunster die Flüssigphase an der Verdunstungsfläche nicht unter dem Staudruck des flüssigen Ameisensäurepräparates. Sie ist im Vlies kapillar gebunden und besitzt in allen Vliespositionen ein negatives Matrixpotenzial. Die Reduktion des Dampfdruckes der Flüssigkeit beim Trocknen bleibt im Unterschied zu bekannten Verdunstern, welche eine kapillare Matrix, beispielsweise einen Schwamm, zur Speicherung der Ameisensäure nutzen, vernachlässigbar. Das Matrixpotenzial des flüssigen Ameisensäurepräparates an der Verdunstungsfläche bleibt bis zur Entleerung des Flüssigkeitsbehälters bei einem Wert zwischen -1 und -10 kPa. Der Dampfdruck wird hierbei nicht signifikant reduziert.
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Figur 5
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Die Figur zeigt die Einsatzmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Verdunster, welcher in den Wabenrahmen 8 einer Bienenbeute im Brutnestbereich integriert ist. Oben ist der Wabenrahmen in der Seitenansicht mit dem am Oberträger befestigten Verdunster dargestellt.
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Der unten gezeigte Querschnitt durch den Verdunster bezieht sich auf eine Position, die durch die gestrichelte Linie angezeigt wird.
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Der Verdunster umfasst einen langgestreckten Flüssigkeitsbehälter mit festen und gasdichten Wänden aus Polypropylen oder Polyethylen. Er besitzt eine Länge, die vorzugsweise der Länge eines Oberträgers entspricht, mindestens aber 30 cm beträgt. Der quadratische oder rechteckige Querschnitt des Verdunsters passt sich in den Wabenrahmen ein. Im Flüssigkeitsbehälter ist eine Behandlungsdosis von 100 bis 250 ml des Ameisensäurepräparates eingeschlossen. Beide Seitenwände des Verdunsters bzw. das an ihnen befestigte, als Verdunstungsfläche wirksame Vlies begrenzen den am höchsten liegenden Abschnitt einer Wabengasse. Dies erfordert eine Basisbreite von 2 bis 2,8 cm und eine Höhe von 2 bis 5 cm. Das passive Ventil 3 befindet sich in einem vom Vlies nicht bedeckten Wandbereich. Es ist beispielsweise eine Pore in der hydrophoben Wand mit einem Durchmesser von 0,05 bis 0,2 mm, die mit einer gegen Ameisensäure resistenten Klebfolie 14 verschließbar ist. Bei der Aktivierung des Verdunsters wird sie entfernt. Die im Querschnitt schematisch dargestellte Flüssigkeitsaustrittsöffnung 1 kann genutzt werden, um das Ameisensäurepräparat einzufüllen. Der Verschluss 16 bildet eine Flüssigkeitsbarriere an dieser Öffnung, die bei der Aktivierung des Verdunsters durch Druck auf das Vlies beseitigt wird. Er wird beispielsweise durch Aufkleben eines zerbrechlichen Deckglases für die Mikroskopie realisiert. Das feuchte Vlies bildet Verdunstungsflächen 13 an den Seitenwänden und leitet das Ameisensäurepräparat passiv zu diesen Flächen im Maße des Flüssigkeitsverbrauches durch Verdunstung. Ein enger Kontakt zwischen der basalen Wand und dem unter ihm liegenden Vlies verhindert, dass sich Luftblasen in der Flüssigkeitsaustrittsöffnung bilden. Hierzu kann das Vlies mit Hilfe eines gegen Ameisensäure resistenten Adhäsivs an die Wand nahe der Flüssigkeitsaustrittsöffnung geklebt werden. Eine andere Möglichkeit zur Vermeidung des unkontrollierten Eindringens von Luft in die Flüssigkeitsaustrittsöffnung besteht darin, das Vlies nahe dem Umfang der Flüssigkeitsaustrittsöffnung an die basale Wand zu pressen. Nach Aktivierung des Verdunster durch Abnehmen der Schutzfolie am passiven Ventil und der Beseitigung der Sperre an der Flüssigkeitsnachfüllöffnung appliziert der Verdunster Ameisensäure- und Wasserdampf an die erwärmte und relativ trockene Luft, welche durch zwei Wabengassen des Brutnestes nach strömt.
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In 5, oben, ist eine mögliche Befestigung 15 für den Verdunstungsbehälter in einem Wabenrahmen dargestellt. Sie besteht in elastischen Silikonbändern, die den Verdunster an den Oberträger drücken. Die Integration des Verdunsters in einen Wabenrahmen kann alternativ mit Hilfe einer zusätzlich in den Rahmen eingefügte Tragleiste erfolgen. Die Tragleiste kann von unten an die basale Wand des Flüssigkeitsbehälters gepresst und in eine Nut im Seitenträger eingesteckt werden (nicht dargestellt). Zur Aktivierung der Flüssigkeitsaustrittsöffnung kann die Tragleiste unter dem Verschluss gelocht sein.
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Die Ameisensäuredampfbehandlung der Beute zur Milbenentseuchung findet üblicherweise im Spätsommer und Herbst statt, wenn die Brutnestwaben bereits ausgebildet sind. Es ist daher zweckmäßig, den Rahmen mit dem bereits befüllten Dispenser schon im Frühjahr in die Beute einzubringen, so dass der Wabenbereich mit der Brut zum Zeitpunkt der Aktivierung bereits ausgebildet ist. Um die Ameisensäuredampfbehandlung einzuleiten, wird der Rahmen kurz aus dem Magazin herausgenommen, aktiviert und anschließen wieder in das Magazin eingesetzt.
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Bei den in 4 und 5 dargestellten Verfahren befinden sich die Verdunstungsflächen im Ventilationskreislauf der Beuteluft, den Brutnestwaben nachgeschaltet. Der Dampfeintrag in den Kreislauf erfolgt oberhalb der Brutnestwaben, so dass diese nicht direkt einer hohen Konzentration des Dampfes ausgesetzt werden. Die mit Ameisensäuredampf angereicherte Luft gelangt in den Raum über dem Magazin und sinkt in den kälteren Bereichen der Beute nahe den Seitenwänden wieder ab. Daher mischt sich der Ameisendampf mit einem großen Teil des in der Beute zirkulierenden Luftvolumens, bevor er wieder in das Brutnest aufsteigt. Obwohl der Verdunster den Dampf nur in einen Teil der Wabengassen abgibt, werden alle Brutnestwaben dem Dampf in annähernd gleicher Konzentration ausgesetzt.
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Bei den mit 4 und 5 veranschaulichten Verdunstern ist es zweckmäßig, letztere vor ihrem Einsatz mit der Behandlungsdosis des Ameisensäurepräparats zu füllen. Sie können in gefüllter Form gelagert und in den Handel gebracht werden. Dabei sind das passive Ventil und die Flüssigkeitsaustrittsöffnung verschlossen. Bei dem in 4 dargestellten Verdunster kann die Lagerung des Flüssigkeitsbehälters vom Vlies getrennt erfolgen. Der Verschluss der Flüssigkeitsaustrittsöffnung kann in diesem Fall beispielsweise durch einen dichten Schraubverschluss, einen Silikongummistopfen oder eine Klebfolie mit Siloxan-Klebschicht erfolgen. Zur Aktivierung des Verdunsters vor dem Einsatz wird die Abdeckung des passiven Ventils und der Verschluss der Flüssigkeitsaustrittsöffnung entfernt, wobei die Flüssigkeitsaustrittsöffnung sich über der Flüssigkeit befindet. Das noch trockene Vlies wird über das Brutnest platziert, und der Verdunster wird mit der Flüssigkeitsöffnung nach unten auf das Vlies gelegt. Alternativ kann der in 4 dargestellte Verdunster ebenso wie der in 5 dargestellte Verdunster schon bei der Lagerung mit dem Vlies verbunden sein. Dies erfordert einen Verschluss der Flüssigkeitsaustrittsöffnung, welcher, wie oben erläutert, durch Druck auf das Vlies beseitigt wird.
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Nach der Positionierung und Aktivierung geben die jeweiligen Flüssigkeitsbehälter das flüssige Ameisensäurepräparat in das zunächst trockene Vlies ab. Daher erfordern diese Prozesse keine Manipulation an dem mit Ameisensäure befeuchteten Vlies. Das Vlies kann nach außen durch eine gasdurchlässige hydrophobe hochporöse Membran mit Poren im Nanometerbereich begrenzt werden. Dies bietet einen Schutz gegen den Hautkontakt mit dem flüssigen Ameisensäurepräparat auch dann, wenn die Verdunster vor der vollständigen Entleerung aus der Beute entnommen werden.
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Die Verdunstungswärme wird durch effiziente Wärmeleitung von den Brutnestwaben geliefert, so dass die Temperatur der Verdunster bei etwa 30°C liegt, nur wenig unter der relativ konstanten Temperatur des Brutnestes. Die Verdunstungsrate wird daher vom Außenklima wenig beeinflusst. Um bei dem in 4 dargestellten Verdunster die Wärmeabgabe an das kühlere Beutedach zu begrenzen, ist es zweckmäßig, den Verdunster nach oben mit wärmedämmendem Material zu bedecken.
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Die Abgabe des Ameisensäuredampfes an die durch die Wabengassen aufsteigende Luft wird bei den in 4 und 5 dargestellten Verdunstern auch bei kühler Witterung nicht durch Kondensation von Wasserdampf behindert. Dies liegt daran, dass durch Thermoregulation und aktive Beeinflussung des Luftaustausches am Flugloch die relative Luftfeuchte im Brutnest durch die Bienen auf 40 bis 50 % eingeregelt wird (Büdel 1947). Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit der Luft in den Wabengassen führt zu einer geringen Schichtdicke der laminar strömenden Luft an der Verdunstungsfläche, welche den Diffusionswiderstand und die Verdunstungsrate am erfindungsgemäßen Verdunster bestimmt. Die Ventilationsgeschwindigkeit hängt vom Bienenbesatz der Beute ab. Daher sind starke tägliche Schwankungen der Verdunstungsrate und der Ameisendampfkonzentration in der Beute nicht vermeidbar. Die mittlere Ameisensäuredampfkonzentration in der Beuteluft, durch welche die Effizienz der Behandlung bestimmt wird, hängt sowohl von der mittleren Verdunstungsrate als auch vom Austausch der Beuteluft mit der Außenluft ab. Die Austauschrate kann vom Imker durch Begrenzung oder Erweiterung der Einflugöffnung auf Grund von Erfahrungswerten oder Messwerten an die Volksstärke angepasst werden.
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Zitierte Patente
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PCT/EP2019/084252, US 10,548,268 B1
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Zitierte Publikationen
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Slatyer RO und Taylor SA (1960) Terminology in plant-soil-water relations, Nature 187, 922-924. Büdel A (1948) Der Wasserdampfhaushalt im Bienenstock, Zeitschr. Vergl. Physiologie 31, 249-273.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flüssigkeitsaustrittsöffnung
- 2
- Vlies
- 3
- passives Ventil
- 4
- Flüssigkeitsnachfüllöffnung
- 5
- Substrat
- 6
- Kulturbehälter
- 7
- Oberträger
- 8
- Wabenrahmen
- 9
- gemeinsamer Boden
- 10
- Schwimmkörper
- 11
- Luftansaugstutzen
- 12
- Wasseransaugöffnung
- 13
- Verdunstungsfläche
- 14
- Klebfolie
- 15
- Befestigung
- 16
- Verschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 10548268 B1 [0004]
- EP 2019/084252 PCT [0009, 0028]
