DE102022115240A1

DE102022115240A1 - Verfahren und System zur Aufzucht von Garnelen

Info

Publication number: DE102022115240A1
Application number: DE102022115240.5A
Authority: DE
Inventors: Florian Gösling; Marcus Thon
Original assignee: Aquapurna GmbH
Current assignee: Aquapurna GmbH
Priority date: 2022-06-20
Filing date: 2022-06-20
Publication date: 2023-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Garnelenaufzucht mit den folgenden Schritten: (a) Aufzucht von Garnelen in wenigstens einem Aufzuchtbecken, (b) Kultivieren von Bioflocs in einem Biofloc-Reaktor (BFR), (c) Ernten wenigstens eines Teils der Bioflocs aus dem BFR, (d) Aufkonzentrieren der geernteten und (e) wiederholtes Zufüttern der aufkonzentrierten Bioflocs zu dem wenigstens ein Aufzuchtbecken. Ein entsprechendes System ist ebenfalls Teil der Erfindung.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Garnelenaufzucht. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Aufzucht von Garnelen unter Verwendung von Bioflocs sowie ein entsprechendes System.
Hintergrund der Erfindung
Der Garnelen-Konsum deutscher Haushalte beträgt rund 50.000 Tonnen jährlich. Die Tendenz ist steigend. Dabei werden insgesamt nur 100 Tonnen (Stand 2018) in Europa produziert, wovon ca. die Hälfte aus deutschen Garnelenfarmen entstammt. Deutsche Garnelen werden üblicherweise in sogenannten Kreislaufanlagen oder den naturnahen Biofloc-Systemen produziert.
Bioflocs sind heterogene Aggregate aus unterschiedlichsten feinen Partikeln, bestehend aus Detritus, Bakterien, Algen, Pilzen und Zooplankton, wie z.B. Fadenwürmer und Wimperntierchen (Ciliaten). Zusammengehalten werden diese Aggregate v.a. durch elektrostatische Kräfte und fadenförmige Organismen. Sie sind meist eingehüllt in eine Matrix aus Schleim, die von Bakterien abgesondert wird.
In der Garnelenzucht ahmen Biofloc-Systeme den natürlichen Lebensraum der Garnelen nach. Einerseits dienen Bioflocs den Garnelen als Futter, andererseits sorgen sie gleichzeitig für die biologische Reinigung des Prozesswassers, indem Stickstoff in Bakterienbiomasse umgewandelt wird.
Mit der Verwendung von Bioflocs in der Garnelenaufzucht befasst sich das Dokument Ahmad, I. et al.: Biofloc technology: an emerging avenue in aquatic animal healthcare and nutrition, Aquaculture International, June 2017. Insbesondere werden dort die Vorteile zusammengefasst, die der Konsum von Bioflocs generell auf das Wachstum, die Gesundheit und Krankheitsresistenz der Garnelen haben kann. Neben den Vorteilen, die das Biofloc-Verfahren bietet, liegen in der kommerziellen Anwendung aber auch ganz erhebliche produktionstechnische und wirtschaftliche Nachteile und Risiken.
In klassischen Biofloc-Systemen werden die Garnelen inmitten der Flocken im gleichen Teich bzw. Aufzuchtbecken gehalten, wodurch die Tiere die permanent neu entstehenden Flocken direkt konsumieren können. Die Bildung der Bioflocs findet unmittelbar in dem Lebensraum der Garnelen statt - es besteht keine räumliche Trennung. Dies führt dazu, dass sich jede Störung der schwer zu kontrollierenden Lebensgemeinschaft der Bioflocs unmittelbar auch auf die Garnelen auswirkt. Gerät das komplexe System „Biofloc“ aus der Balance, kann es sehr schnell zu dramatischen Auswirkungen auf das Gesamtsystem kommen. Nehmen z.B. instabile Bioflocs keine Nährstoffe mehr aus dem Wasser auf, akkumulieren sich diese Substanzen sehr schnell zu giftigen Konzentrationen, die die Garnelen unmittelbar schädigen.
Bioflocs können durch verschiedenste Milieuänderungen geschädigt werden und schlagartig absterben. In diesem Fall sinken die Flocken ab und sedimentieren in dem Aufzuchtbecken zu einem dichten Schlamm. In dem Schlamm laufen dann unmittelbar danach toxische Fäulnisprozesse ab, die innerhalb von Stunden einen kompletten Garnelenbestand abtöten können; das Biofloc-Garnelen-System ist kollabiert. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass sich innerhalb der komplexen Lebensgemeinschaft der Bioflocs auch unerwünschte Organismen etablieren, die negativ auf die Garnelen wirken können. Dies können z.B. pathogene Bakterien, Pilze oder Blaualgen sein. In der Literatur finden sich reale Beispiele, wie Massenentwicklungen dieser Organismen zu signifikanten Verlusten der Garnelenbestände geführt haben.
Die oben geschilderte Problematik wird unter anderem beschrieben in „Sustainable Shrimp Farming: High Density, Biofloc-Dominated, No-Water-Exchange Systems, Remarks by Tzachi Samocha, Marine Solutions & Feed Technology, USA, Aquaculture breakout session, 2016 World Nutrition Forum in Vancouver, Canada.“
Primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Garnelenaufzucht bereitzustellen, das die Nachteile der bekannten Verfahren wenigstens teilweise überwindet. Insbesondere soll das Risiko für die Garnelenkultur bei einem Kippen/Kollaps des Biofloc-Systems reduziert werden, ohne dadurch die Ausbeute der Garnelen unter Normalbetrieb zu reduzieren. Vielmehr ist es gar wünschenswert, dass selbst im Normalbetrieb, d.h. wenn das Biofloc-Garnelen-System wie gewünscht arbeitet, eine höhere Ausbeute als mit dem bekannten Biofloc-Verfahren erzielt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Verfahren zur Garnelenaufzucht die folgenden Schritte aufweist:

(a) Aufzucht von Garnelen in wenigstens einem Aufzuchtbecken,
(b) Kultivieren von Bioflocs in einem Biofloc-Reaktor (BFR),
(c) Ernten zumindest eines Teils der Bioflocs aus dem BFR,
(d) Aufkonzentrieren der geernteten Bioflocs und
(e) wiederholtes Zufüttern der Paste oder der Pellets zu dem wenigstens ein Aufzuchtbecken.

Bevorzugt umfasst das Aufkonzentrieren der geernteten Bioflocs die Bereitstellung der geernteten Bioflocs in pastöser oder fester Form, insbesondere in Form einer Paste oder in Form von Pellets.
Die vorliegende Erfindung basiert im Wesentlichen auf der Erkenntnis, dass durch Entkoppeln der Kultivierung von Bioflocs (hier auch Flocken genannt) von der Kultivierung der Garnelen, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile weitestgehend vermieden werden können, während gleichzeitig die in der Literatur vielfach belegten gesundheitsfördernden Effekte der Bioflocs durch deren Zufütterung in aufkonzentrierter Form erhalten bleiben. Insbesondere wird durch ein derartiges Entkoppeln erzielt, dass sich eine Störung des Biofloc-Systems nicht unmittelbar auf die Gesundheit der Garnelen auswirkt.
Ferner ist die Verabreichung der Bioflocs als Konzentrat (insbesondere in Form einer Paste oder in Form von Pellets) vorteilhaft, da hierdurch die Lagerung und reproduzierbare Fütterung ermöglicht oder zumindest vereinfacht wird. Ein Konzentrat lässt sich bei der täglichen Fütterung abmessen oder wiegen, so dass die verabreichte und damit gefressene Menge an Bioflocs quantifizierbar wird. Dies ist im Sinne einer kontrollierten Garnelen-Produktion ein erheblicher Vorteil gegenüber der Aufzucht in einem herkömmlichen Biofloc-System, bei dem die Garnelen zusammen mit den Bioflocs in einem Becken leben. In solchen Systemen lässt sich der Konsum an Biofloc-Biomasse weder steuern, noch quantifizieren. Die Bioflocs können darüber hinaus einen Teil des herkömmlichen Futters ersetzen und auf diese Weise die Herstellungskosten der Garnelen reduzieren.
Die Begriffe „Biofloc-Paste“ und „Bioflocs in Form einer Paste“ bezeichnen eine pastöse Zusammensetzung, deren Hauptbestandteile Bioflocs und Wasser sind. Dabei gilt eine Zusammensetzung als pastös, wenn deren Feuchtegehalt im Bereich von 70 % bis 10 % liegt. Bevorzugt liegt der Feuchtegehalt im Bereich von 60 % bis 10 %, weiter bevorzugt im Bereich von 50 % bis 10 %.
Die Begriffe „Biofloc-Pellets“ und „Bioflocs in Form von Pellets“ bezeichnen eine feste Zusammensetzung in Form eines makroskopischen Körpers aus verdichteten Bioflocs. Der Feuchtegehalt liegt typischerweise bei nicht mehr als 15 %. Bevorzugt liegt der Feuchtegehalt im Bereich von 60 % bis 10 %, weiter bevorzugt im Bereich von 50 % bis 10 %.
Der Feuchtegehalt ist hier in Gew.-% angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich grundsätzlich für alle Garnelenarten. Besonders erwähnenswert sind die Garnelen ausgewählt aus der Ordnung der Decapoda (Zehnfußkrebse) und Mysidacea, insbesondere Garnelen aus der Unterordnung Dendrobranchiata, Pleocyemata und Mysida (Schwebegarnelen). Bevorzugte Vertreter gehören zu den Familien Penaeidae (Geißelgarnelen), Atyidae (Süßwassergarnelen), Crangonidae, Palaemonidae (Felsen- und Partnergarnelen) und Pandalidae (Tiefseegarnelen). Insbesondere seien genannt: Aristeomorpha foliacea (span. gamba chorizo), Fenneropenaeus chinensis, Fenneropenaeus indicus, Fenneropenaeus merguiensis, Litopenaeus stylirostris, Litopenaeus vannamei, Marsupenaeus japonicus, Parapenaeus longirostris (span. gamba blanca), Penaeus antennatus (span. gamba rosada), Penaeus monodon, Macrobrachium rosenbergii, Macrobrachium nipponense, Ostseegarnele (Palaemon adspersus), Sägegarnele (Palaemon serratus) und Eismeergarnele (Pandalus borealis).
Durch wiederholtes Zufüttern der aufkonzentrierten Bioflocs zu dem Aufzuchtbecken wird erreicht, dass die Biofloc-Konzentration während des Produktionszyklus in einer ähnlichen Größenordnung, bevorzugt annähernd konstant, gehalten wird. Durch diese Maßnahme kann eine hohe Garnelenausbeute erzielt werden. Vorliegend wird auch ein kontinuierliches Zufüttern als wiederholtes Zufüttern erachtet.
Anstelle eines einzigen Aufzuchtbeckens kann die Aufzucht der Garnelen auch in mehr als einem Aufzuchtbecken erfolgen, wobei grundsätzlich ein BFR genügt, um die mehr als ein Aufzuchtbecken mit Bioflocs zu versorgen. Entsprechend ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in das Klarwasser-Aquakultur-Kreislaufsystem eine Vielzahl von Aufzuchtbecken, die von demselben BFR versorgt werden, eingebunden. Als Vorteil dieser Verfahrensführung ergibt sich, dass nur eine Biofloc-Kultur überwacht werden muss.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Aufzuchtbecken in ein Klarwasser-Aquakultur-Kreislaufsystem eingebunden, während die Bioflocs in einem separaten BFR kultiviert werden. Das Kreislaufsystem kann mit einer vorzugsweise mehrstufigen Wasserreinigung ausgestattet sein.
Ein weiterer Vorteil des Separierens der Biofloc-Herstellung von der Garnelen-Aufzucht liegt darin, dass die Bioflocs bei Bedarf erst dann aus dem BFR geerntet werden können, wenn die Biofloc-Kultur etabliert ist. Eine Biofloc-Kultur gilt als etabliert, wenn die Konzentration der Flocken im Imhoff-Trichter 5 mL/L überschreitet. Hierzu werden aus dem BFR eine Probe von beispielsweise 1 Liter Prozesswasser abgeschöpft und in den Imhoff-Trichter gefüllt. Normgemäß soll der Trichter insgesamt 120 Minuten aufrecht stehen bleiben, wobei nach jeweils 50 und 110 Minuten der Trichter im Gestell 3-mal ruckartig um die eigene Achse gedreht wird, damit die Flocken an den Seitenwänden nach unten abrutschen können. Nach 120 Minuten wird dann an der Skala des Trichters das Volumen des abgesetzten Schlamms pro Probevolumen abgelesen, was vorliegend der Biofloc-Konzentration entspricht.
Als BFR kann grundsätzlich ein Behälter jeglicher Form, beispielsweise ein Rundtank aus Kunststoff, dienen. Typischerweise hat der BFR einen maximalen Füllstand von 1000 bis 10000 Liter, bevorzugt von 1500 bis 7500 Liter, weiter bevorzugt von 2000 bis 5000 Liter. Typische Abmessungen eines BFR weisen eine Höhe von 50 cm bis 300 cm, weiter bevorzugt von 100 cm bis 200 cm, und/oder einen Durchmesser von 50 cm bis 350 cm, weiter bevorzugt 100 cm bis 200 cm auf.
Das Ernten der Bioflocs aus dem BFR kann batchweise oder kontinuierlich erfolgen. Ferner kann ein Teil der Bioflocs aus dem BFR geerntet und ein Teil im BFR weiter kultiviert werden. Bevorzugt erfolgt die Ernte der Bioflocs aus dem BFR batchweise, indem zum Beispiel ein Teil der Flocken abgeerntet und der Rest der Flocken im BFR weiter kultiviert wird. Genauer gesagt kann das Ernten der Bioflocs aus dem BFR dadurch erfolgen, dass dem BFR ein Biofloc-haltiges Teilvolumen entnommen wird.
Das Ernten der Bioflocs aus dem BFR kann alternativ dadurch erfolgen, dass aus dem BFR stammende Bioflocs durch ein Fest-Flüssig-Trennverfahren wie eine Filtration aus dem Prozesswasser gewonnen werden. Im letztgenannten Fall wird das Prozesswasser aus dem BFR durch eine Filtereinheit gepumpt, deren Porenweite derart ausgewählt ist, dass das Prozesswasser den Filter passieren kann und Bioflocs zurückgehalten werden. Vorteilhafterweise ist die Porenweite derart ausgewählt, dass ein Teil der Bioflocs passiert und ein Teil der Bioflocs zurückgehalten werden. Dadurch wird erreicht, dass die geernteten Bioflocs eine Mindestgröße aufweisen, während kleinere Flocken den Filter passieren und im BFR weiterwachsen.
Das Ernten kann manuell, automatisiert oder teilautomatisiert erfolgen. Die geernteten Bioflocs können anschließend, vorzugsweise zu einer Paste oder zu Pellets weiterverarbeitet, d.h. aufkonzentriert, werden.
Das Bereitstellen der Bioflocs als Paste oder als Pellets kann durch Fest-Flüssig-Trennverfahren wie eine Sedimentation oder eine Filtration, und/oder durch Trocknung erfolgen. So kann ein mit dem Prozesswasser des BFR befüllter Behälter über eine Standzeit von bspw. 30 Minuten ruhig stehen gelassen werden. Dadurch sedimentieren die Bioflocs auf den Grund des Eimers ab, wo sie eine Schlammschicht bilden. Klarwasser bildet den Überstand oberhalb des Schlamms. Alternativ oder zusätzlich können die Bioflocs (weiter) aufkonzentriert bzw. entwässert werden, indem das Biofloc-haltige Teilvolumen oder der ankonzentrierte Biofloc-Schlamm auf einen Filter aufgetragen wird, dessen Porenweite derart ausgewählt ist, dass das Wasser passieren kann, die Bioflocs jedoch weitgehend zurückgehalten werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Paste dadurch hergestellt werden, dass die Bioflocs flächig ausgestrichen und getrocknet werden, bis der gewünschte Wassergehalt erreicht wird. Die Herstellung von Pellets ist dem Fachmann bekannt und bedarf keiner weiteren Erklärung.
Die Paste oder die Pellets können optional portioniert und bei Bedarf bis zur Verwendung tiefgefroren, beispielsweise bei -20°C, gelagert werden. Idealerweise sollten die aufkonzentrierten Bioflocs jedoch frisch verfüttert werden, um wertvolle Inhaltsstoffe wie Vitamine, Nährstoffe und Probiotische Organismen nicht zu zerstören. Die aufkonzentrierten Bioflocs können dabei einen prozentualen Anteil des Garnelenfutters ersetzen, das normalerweise täglich an die Tiere verfüttert wird. Das Zufüttern kann manuell, automatisiert oder teilautomatisiert erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden gelöste oder ungelöste Nährstoffe aus dem Klarwasser-Aquakultur-Kreislaufsystem in den BFR eingeleitet. Beispielsweise kann wenigstens ein Eiweissabschäumer im Kreislaufsystem angeordnet und der Ablauf des Eiweissabschäumers in den BFR geleitet werden. Hierdurch werden aus dem Prozesswasser Partikel (ungelöste Nährstoffe) abgeschieden und dem BFR zugeführt. Genauer gesagt scheidet der Eiweissabschäumer feine und feinste Partikel wie Kot und Futterreste aus dem Prozesswasser ab, während der abgeschiedene, nährstoffreiche Feinschlamm über die Leitung in den BFR geleitet wird. In einem anderen Beispiel wird Grobschlamm über einen im Klarwasser-Aquakultur-Kreislaufsystem eingebundenen Trommelfilter abgeschieden und in den BFR eingeleitet. Alternativ kann nährstoffbelastetes Prozesswasser aus dem Klarwasser-Aquakultur-Kreislaufsystem abgezweigt und in den BFR eingeleitet werden. Bevorzugt erfolgt das Abscheiden und/oder das Einleiten in den BFR kontinuierlich.
Der Schritt des Kultivierens von Bioflocs in dem BFR beginnt in einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens damit, dass der BFR bei der erstmaligen Inbetriebnahme - vorzugsweise vollständig - mit Prozesswasser (samt den darin lebenden Bakterienkolonien) aus einem Kulturbecken oder einem Kreislaufsystem einer vorangegangenen Garnelenaufzucht befüllt wird. Das Prozesswasser dient dabei als Inokulum, um den Biofilter schon mit Organismen und Bakteriengruppen anzuimpfen, die sich bereits im Kreislaufsystem etabliert hatten. Zusätzlich enthält das Prozesswasser schon eine Grundlast an Nährstoffen, wie Ammonium, Nitrit, Nitrat und Phosphaten, die das Wachstum der Bioflocs ermöglichen oder wenigstens unterstützen. Vorzugsweise wird das Prozesswasser mit einer oder mehr weiteren Starterkulturen angeimpft. Hierzu zählen insbesondere photosynthetische Mikroorganismen wie einzellige Mikroalgen.
Grundsätzlich benötigen Bakterien zwingend Kohlenstoffverbindungen, um die im Wasser gelösten Stickstoffverbindungen zu Zell-Biomasse umzuwandeln und Flocken zu bilden. Erst wenn ausreichend Kohlenstoff zur Verfügung steht, können die gelösten Nährstoffe verstoffwechselt werden. Um in einem BFR ein ausreichendes Kohlenstoff-Stickstoffverhältnis (C/N) aufzubauen, wird üblicherweise eine Kohlenstoffquelle (C-Quelle) hinzudosiert. Eine leicht erhältliche und kostengünstige C-Quelle ist gewöhnlicher Haushaltszucker (Saccharose). Der Bedarf an C-Quelle ist abhängig von der Biofloc-Konzentration und entsprechend wird die Menge der C-Quelle an die Biofloc-Konzentration angepasst. Somit steigt üblicherweise die zum BFR hinzuzufügende Menge C-Quelle nach der erstmaligen Inbetriebnahme des BFR bzw. mit steigender Biofloc-Konzentration. Als Faustregel gilt, dass für jedes Kilogramm Futter mit einem Proteingehalt von 30 bis 38 % zusätzlich 0,5 bis 1 kg einer C-Quelle hinzugegeben werden müssen. Bei der Berechnung des Bedarfs an der C-Quelle ist auf deren Kohlenstoff-Anteil abzustellen. Saccharose zum Beispiel hat einen Kohlenstoff-Anteil von 40 %.
Das Wachstum der Bioflocs wird vorzugsweise überwacht. Dem Fachmann sind hierfür verschiedene Möglichkeiten der Überwachung bekannt und im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar. Eine einfache Möglichkeit stellt beispielsweise die Bestimmung des Sedimentvolumens einer Wasserprobe dar. Hierfür kann regelmäßig eine Wasserprobe aus dem BFR entnommen und das Sedimentvolumen mittels eines Imhoff-Trichters bestimmt werden. Andere Formen der Überwachung stellen analoge und/oder digitale in-line oder on-line Methoden mittels geeigneter Sensoren dar. So kann ein Sensor direkt im BFR angeordnet und/oder in einem Bypass angeordnet sein, durch den das Prozesswasser aus dem BFR gepumpt wird. Beispielsweise kann die Trübung des Wassers durch einen optischen Sensor bestimmt werden. Solche Trübungssensoren werden in der Abwasser- und Trinkwasseraufbereitung standardisiert eingesetzt. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt demnach die Überwachung des Wachstums der Bioflocs durch einen Trübungssensor.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Biofloc-Konzentration im BFR gesteuert bzw. geregelt. Steigt zum Beispiel das Wachstum der Bioflocs zu stark an, erhöht sich die Menge an Biomasse im Wasserkörper auf ein kritisches Maß. Eine ausreichende Versorgung der biologisch aktiven Biomasse mit Sauerstoff wird immer schwieriger und damit erhöht sich die Gefahr, dass das System schlagartig kollabiert. Um dies zu vermeiden, ist bevorzugt, dass die Biofloc-Konzentration einen vordefinierten Schwellenwert nicht überschreitet, und wenn sie den vordefinierten kritischen Schwellenwert überschreitet, die Biofloc-Konzentration reduziert wird. Hierfür kann ein Teilvolumen des BFR abgelassen werden und durch frisches oder gering mit Bioflocs belastetes Wasser ersetzt werden. Als Maß für die Biofloc-Konzentration kann, wie bereits beschrieben, das mittels Imhoff-Trichter bestimmte Sedimentvolumen bezogen auf das Probevolumen herangezogen werden.
Um eine möglichst gleichmäßige Produktion an Bioflocken zu gewährleisten, ist bevorzugt, dass der Stickstoffgehalt (in Form von Ammonium) im BFR überwacht wird. Hierzu kann eine aus dem BFR stammende Wasserprobe einer photometrischen Messung unterzogen werden, um die Konzentration an gelöstem Ammonium zu bestimmen. Bevorzugt wird im BFR nicht nur die Stickstoffkonzentration überwacht, sondern sie wird auch in einem vordefinierten Zielbereich gehalten und/oder es werden Abweichungen von einem vordefinierten Zielbereich für die Stickstoffkonzentration entgegengesteuert. Der Zielbereich für die Stickstoffkonzentration im BFR beträgt bevorzugt 0,5 mg/L bis 2,0 mg/L, weiter bevorzugt 1,0 mg/L bis 1,5 mg/L. Die Angaben beziehen sich jeweils auf die Ammoniumkonzentration. Überschreitet die Stickstoffkonzentration den Zielbereich, kann dem BFR eine C-Quelle wie Haushaltszucker zugegeben werden. Hierdurch wird die Abbauleistung erhöht und so die Stickstoffkonzentration wieder erniedrigt. Steigt die Stickstoffkonzentration dennoch weiter an, kann ein Teilwasserwechsel durchgeführt werden. Hierzu kann ein Teil des Prozesswassers aus dem BFR entnommen und durch eine entsprechende Menge an Prozesswasser aus einem weiteren Aufzuchtbecken bzw. Kreislaufsystem ersetzt werden. Fällt der gemessene Wert unter den Zielbereich, kann die Zufuhr an Stickstoff erhöht werden. Mit diesen Maßnahmen kann der Gehalt an Ammonium im BFR stabil eingestellt werden.
Wie bereits oben beschrieben können die Bioflocs einen Teil des herkömmlichen Garnelenfutters ersetzen. In einer Ausführungsform werden hierzu zusätzlich zum herkömmlichen/kommerziellen pelletierten Garnelenfutter dem Aufzuchtbecken aufkonzentrierte Bioflocs zugeführt. Vorzugsweise werden täglich 10 bis 50 Trockengew.-%, insbesondere 15 bis 30 Trockengew.-% Bioflocs bezogen auf 100 Trockengew.-% Gesamtfutter zugefüttert.
Neben der Produktion von Biomasse kann in einer Ausführungsform der BFR zusätzlich zur Reinigung von Prozesswasser eines weiteren Aufzuchtbeckens bzw. Kreislaufsystems eingesetzt werden. Ein Teil der erzeugten Stickstoff- und Phosphatfracht wird hierfür in den BFR eingeleitet und dort in Biofloc-Biomasse umgewandelt. Diese kann anschließend verfüttert werden. Durch ein solches „Upcycling“ können Abfallstoffe zu wertvollen Nährstoffen transformiert werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein System zur Garnelenaufzucht, das folgende Bestandteile aufweist:

(a) wenigstens ein Aufzuchtbecken zur Aufzucht von Garnelen,
(b) separat davon ein BFR zum Kultivieren von Bioflocs,
(c) eine Ernteeinrichtung zur Ernte von Bioflocs aus dem BFR,
(d) eine Vorrichtung zur Aufkonzentrierung der geernteten Bioflocs und
(e) optional eine Zufüttereinrichtung zum Zufüttern der aufkonzentrierten Bioflocs zu dem wenigstens ein Aufzuchtbecken.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Systems sind grundsätzlich alle Arten der Biofloc-Ernte umfasst. Entsprechend ist die Ernteeinrichtung nicht beschränkt, solange sie die Biofloc-Ernte ermöglicht. Eine bevorzugte Ernteeinrichtung betrifft eine Filtrationseinheit umfassend beispielsweise einen Filtersack wie im nachfolgenden Beispiel beschrieben. Die Darstellung der geernteten Bioflocs als Paste oder Pellets erfolgt bevorzugt mittels Separator(en), Filter und/oder Trockner. Eine bevorzugte Zufüttereinrichtung stellt ein Bandfutterautomat dar. Der Betrieb der genannten Ein- bzw. Vorrichtungen kann jeweils unabhängig voneinander manuell, teilautomatisch oder vollautomatisch erfolgen.
Eine weitere, ebenfalls im Rahmen der Erfindung anwendbare, Ernteeinrichtung stellt die Installation bzw. Verwendung eines Bandfilters dar, der mit Prozesswasser aus dem BFR beaufschlagt wird und Wasser passieren lässt, während die Bioflocs zurückgehalten werden. Beispielsweise kann ein Teil des Prozesswassers im BFR abgepumpt und durch den Bandfilter, der vorzugsweise Bestandteil eines automatischen Bandfiltersystems ist, geleitet werden. Das Wasser prallt in der Filterkammer auf ein sog. Bandvlies mit einer definierten Maschenweite und durchströmt das Vlies, während die Biofloc-Partikel auf dem Filter (Bandvlies) zurückgehalten werden. Weiter kann eine sensorische Messung der Dicke des Filterkuchens erfolgen, um dadurch den Vorschub des Bandfilters zu steuern bzw. zu regeln. Beispielsweise kann ein Sensor durch den Wasserstand vordem Bandvlies ausgelöst werden, wenn das Vlies mit einer gewissen Schichtdicke an Bioflocs bedeckt ist. Daraufhin kann das Bandvlies oberhalb der Filterkammer auf eine Spule aufgewickelt werden, wobei beim Aufwickeln der Filterkuchen über eine Abstreifvorrichtung, wie ein Abstreifgitter, abgetrennt und in einem separaten Auffangbehälter gesammelt wird. Im Übrigen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen, die entsprechend für das erfindungsgemäße System gelten.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der 1 näher beschrieben. 1 zeigt ein beispielhaftes System zur Garnelenaufzucht in schematischer Darstellung. In_der Abbildung ist ein System zur Garnelenaufzucht dargestellt, das aus zwei Aufzuchtbecken besteht, die in unterschiedlich große Abteile abgetrennt werden können.
Das Prozesswasser läuft aus den Becken im freien Gefälle zu einem Trommelsiebfilter, der größere Partikel, wie Kot und Futterreste, aus dem Wasser entfernt. Der Hauptstrom des Wassers fließt nach dem Trommelsiebfilter zum Bioreaktor, der gleichzeitig auch als Pumpensumpf dient. Der Bioreaktor oder MBBR (moving bed bioreactor) ist stark belüftet und mit Kunststoffkörpern gefüllt, die als Besiedelungsfläche für nitrifizierende Bakterien dienen. Diese Bakteriengruppen wandeln die potentiell giftigen stickstoffhaltigen Ausscheidungen der Garnelen in ungiftige Abbauprodukte um.
Im Nebenstrom wird permanent ein geringer Teil des Prozesswassers durch einen anaeroben Denitrifikationsreaktor geleitet. Dieser Reaktor ist ebenfalls mit Kunststoffkörpern gefüllt, die von weiteren - denitrifizierenden - Bakteriengruppen besiedelt sind, die im anaeroben Milieu das im Bioreaktor entstandene Nitrat zu ungiftigem Luft-Stickstoff weiterverarbeiten. Der für die biologische Umwandlung des Stickstoffs benötigte Kohlenstoff wird in Form von Zucker oder Essigsäure zudosiert.
Ein weiterer Nebenstrom führt Wasser zum Eiweißabschäumer. Dort wird in einer Reaktionskammer ein Luft-Ozongemisch in das Wasser eingetragen und stark verwirbelt. Durch die Verwirbelung entsteht ein dichter Schaum, der aufsteigt und dabei die feinen Partikel im Wasser an sich bindet. Der Schaum fällt anschließend über den Rand der Reaktionskammer in einen Schaumtopf und wird dort aus dem System herausgespült. Das zusammen mit der Luft eingetragene Ozon oxidiert in der Kammer Bakterien, Viren und Pilze und tötet diese Organismen zuverlässig ab.
Der ausgespülte Schaum, bestehend aus Feinpartikeln und organischem Material, wird über eine Ablaufleitung zum Biofloc-Reaktor (BFR) geführt und dient in diesem Tank als Substrat zur Erzeugung der Bioflocs, so wie vorhergehend beschrieben.
Alle Teilströme des Wassers werden nach Passage der Module „Denitrifikation“ und „Eiweißabschäumer“ in den Bioreaktor eingeleitet und vermischen sich dort wieder mit dem Hauptstrom des Wassers. Gleichzeitig findet im Bioreaktor auch die automatische Nachspeisung mit frischem Salzwasser statt, um die Verluste durch Verdunstung und Spülwasser auszugleichen.
In einer separaten Kammer sind Batterien von Meßsonden angeordnet, die ständig von Prozesswasser umströmt werden. Hierbei werden permanent die Parameter Sauerstoff, Salzgehalt, Temperatur, pH und das RedOx-Potential gemessen und als Signal an einen Schaltschrank weitergeleitet. Im Schaltschrank werden die Meßwerte visualisiert, die voreingestellten Grenzwerte überwacht und ggf. Störungsmeldungen ausgelöst.
Das über die verschiedenen Reinigungsstufen aufbereitete Prozesswasser wird abschließend mit Förderpumpen aus dem Biofilter abgepumpt, in der Rohrleitung noch mit technischem Sauerstoff angereichert und zum Schluss wieder als Frischwasser in das Produktionsbecken mit den Garnelen eingeleitet. Der Kreislauf ist damit geschlossen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Vergleichsbeispiels näher beschrieben.
Beispiel
1) Biofloc-Reaktor
1.1) Installation des Biofloc-Reaktors
Der Biofloc-Reaktor (BFR) wurde aus einem Polyethylen-Rundtank mit einer Höhe von 150 cm und einem Durchmesser von 170 cm aufgebaut. Bei maximalem Füllstand des BFR beträgt das Wasser-Volumen ca. 3300 Liter.
Von zwei benachbarten Kreislaufsystemen wurde vom Ablauf eines Eiweissabschäumers jeweils eine Kunststoffrohrleitung zum BFR gelegt. Die Eiweissabschäumer dienten in den Kreisläufen dazu, permanent feine und feinste Partikel, bestehend aus Kot und Futterresten aus dem Prozesswasser abzuscheiden und zu entfernen. Über die installierte Rohrleitung wurde der abgeschiedene, nährstoffreiche Feinschlamm kontinuierlich zu dem BFR geleitet und konnte dort in den BFR tropfen.
1.2) Start des BFR
Zum Start des BFR wurde der BFR vollständig mit Prozesswasser aus einem aktiven Aquakultur-Kreislaufsystem befüllt, das mit Garnelen besetzt war. Das Prozesswasser enthielt somit bereits Organismen und Bakteriengruppen, die sich über Monate hinweg im Kreislaufsystem etabliert hatten. Zusätzlich enthielt das Prozesswasser eine Grundlast an Nährstoffen, wie Ammonium, Nitrit, Nitrat und Phosphaten.
Als weitere Starterkulturen wurden drei verschiedene Arten einzelliger Mikroalgen angeimpft, die von einer Algenfarm bezogen wurden. Aus den aufkonzentrierten Reinkulturen wurden jeweils 50 Milliliter Algen entnommen und in den BFR hinzudosiert.
Nach der ersten Inbetriebnahme des BFR wurden die Zulaufleitungen aus den beiden Abschäumern geöffnet und der abgeschiedene Schaum permanent in den BFR eingeleitet.
1.3) Steuerung des BFR / Kohlenstoffquelle
Als Kohlenstoffquelle (C-Quelle) wurden in der Einlaufphase des BFR wöchentlich 1 kg Saccharose in dem BFR gelöst. Mit steigender Produktion an Bioflocs wurde die zugegebene Menge des Haushaltszuckers weiter erhöht, bis auf eine maximale Zufütterung von 1 kg Zucker alle zwei Tage.
1.4) Steuerung des Biofloc-Wachstums
Um das Wachstum der Bioflocs kontrollieren und quantifizieren zu können, wurde im Labor ein Imhoff-Trichter aufgebaut. Wöchentlich wurde aus dem BFR eine Wasserprobe entnommen und 1000 ml Wasser in den Imhoff-Trichter eingefüllt. Normgemäß wurde der Trichter nach dem Einfüllen der Wasserprobe mehrfach gedreht, damit die festen Bestandteile der Probe absedimentieren konnten. Nach einer definierten Zeit (zwischen 15 und 120 Minuten) wurde das Volumen des Sediments dann auf einer Pegel-Skala abgelesen und protokolliert.
Um eine ausreichende Versorgung der Bioflocs mit Sauerstoff zu gewährleisten, wurde vor Versuchsbeginn ein Maximalwert für die Biofloc-Konzentration im BFR festgelegt. Überstieg die Menge der im Imhoff-Trichter absedimentierten Bioflocs den Wert von 400 mL/L, wurde aus Sicherheitsgründen ein Volumen von 200 Litern Wasser aus dem BFR abgelassen und mit gering belastetem Wasser aus einem weiteren Garnelen-Kreislaufsystem wieder aufgefüllt. Durch diese Teilwasserwechsel wurde die Biomasse im BFR in mehreren Intervallen verdünnt und jeweils wieder unter den definierten Schwellenwert von 400 ml/l gedrückt.
1.5) Überwachung der Ammonium-Werte
Einmal pro Woche wurde aus dem Biofloc-Reaktor eine Wasserprobe gezogen und daraus mit einem Küvettentest photometrisch die Konzentration an gelöstem Ammonium (NH₄) im BFR bestimmt. Der Zielwert für den Gehalt an Ammonium-Stickstoff (NH₄-N) in dem Reaktor wurde vor Versuchsbeginn auf den Bereich von 1,0 mg/L bis 1,5 mg/L festgelegt.
Überschritt der Ammonium-Gehalt den Zielkorridor, wurde zusätzlich 1 kg Zucker in den Reaktor zudosiert, um die Abbauleistung zu erhöhen und den Ammonium-Wert wieder zu erniedrigen. Stieg der Ammonium-Gehalt dennoch weiter an, wurde ein Teilwasserwechsel durchgeführt. Hierzu wurden ca. 200 Liter Wasser aus dem BFR abgepumpt und mit der gleichen Menge an Prozesswasser aus einem weiteren Garnelen-Kreislaufsystem wieder aufgefüllt.
1.6) Ernte der Bioflocs
Die Bioflocs, die an die Garnelen verfüttert werden sollten, wurden batchweise an einzelnen Tagen geerntet, aufkonzentriert und eingefroren.
Für die Ernte wurden Kunststoffeimer mit einem Volumen von 10 Litern verwendet. Die Eimer wurden mit dem Prozesswasser des BFR befüllt und neben dem BFR abgestellt. Nach einer Standzeit von 30 Minuten waren die Bioflocs auf den Grund des Eimers absedimentiert und bildeten dort eine ca. 5 bis 10 cm dicke Schlammschicht. Oberhalb des Schlamms befand sich der Überstand, bestehend aus klarem Wasser.
Der Überstand wurde aus dem Eimer in ein Waschbecken geschüttet und der schlammhaltige Bodensatz in einen Filter geleert. Der Filter bestand aus einem vernähten Textilgewebe, das in einen perforierten Kunststoffeimer eingehängt war. Nacheinander wurde der Schlamm von 10 Eimern in den Filter entleert. Der Wasseranteil des Schlamms trat durch das Filtergewebe durch, während der Biofloc-Schlamm in dem Filterstrumpf zurückgehalten wurde.
Nach einer Standzeit von ca. 4 Stunden war der Schlamm in dem Filter so weit entwässert, dass sich eine streichfähige Paste gebildet hatte. Diese Paste wurde mit einem Schöpflöffel aus dem Filtersack herausgesammelt und in verschließbare Kunststoffdosen portioniert. Die Dosen wurden mit jeweils ca. 1 kg Biofloc-Paste gefüllt und sofort nach der Befüllung zur späteren Verwendung tiefgefroren.
2) Versuchsdurchführung
2.1) Versuchs-Tanks
Die Fütterungsversuche fanden in zwei identischen Produktionstanks/Aufzuchtbecken („Tank 1“ und „Tank 2“) statt, die gemeinsam an einem Aquakultur-Kreislaufsystem angeschlossen waren. Die Polyethylen-Rundtanks waren baugleich mit dem BFR und enthielten ein produktives Volumen von jeweils ca. 3000 Litern Kreislaufwasser.
Über die gesamte Versuchsdauer hinweg wurde darauf geachtet, dass beide Tanks, bezogen auf die steuerbaren Parameter wie Wasseraustauschrate, Sauerstoffzudosierung usw., möglichst identisch behandelt wurden. Die übrigen Wasserparameter, wie Temperatur, pH, Stickstoffwerte waren in beiden Versuchstanks immer nahezu identisch, da beide Tanks an einem gemeinsamen Kreislauf angekoppelt waren und sich damit den Wasserkörper des Kreislauf-Systems „geteilt“ haben.
Der einzige Unterschied zwischen den Versuchsbedingungen in den beiden Tanks stellte die Futtermittelzusammensetzung dar.
2.2) Besatztiere
Tank 1 und Tank 2 wurden zum Versuchsbeginn mit genau der gleichen Anzahl an Garnelen besetzt. Es wurden jeweils 3500 Postlarven des White Tiger Shrimp (Litopenaeus vannamei) mit einem durchschnittlichen Einzelgewicht von 0,06 Gramm in die Becken eingezählt.
2.3) Fütterungsschema
Die Garnelen in Tank 1 des Kreislaufsystems wurden ausschließlich mit kommerziellem, pelletiertem Garnelenfutter der Firma LeGouessant aus Frankreich gefüttert. Die Futtermenge wurde anhand einer idealen Wachstumskurve ermittelt und täglich neu berechnet, um die Futtermenge fortlaufend dem Zuwachs an Garnelen-Biomasse in dem Tank anzupassen. Diese berechnete Futtermenge diente als Referenzwert und wurde als „100% Standard“ festgelegt.
In Tank 2, der mit der gleichen Anzahl an Garnelen besetzt war, wurde die Menge an täglich verabreichten Futterpellets auf 80% des Standardwerts reduziert. Die Mindermenge von 20% wurde kompensiert durch die Zufütterung von 40 % Biofloc-Paste, bezogen auf 100% Standardwert. Mit dem Ersatz der Menge der „fehlenden“ Futterpellets durch die doppelte Gewichtsmenge an Bioflocs sollte der höhere Wassergehalt der Biofloc-Paste ausgeglichen werden, die die Paste im Vergleich zu den Pellets aufweist.
Beispielrechnung für eine Tagesfütterung:

Tank 1: 1000 g Futterpellets
Tank 2: 800 g Futterpellets, 400 g Biofloc-Paste

2.4) Fütterung
An beiden Tanks 1 und 2 waren jeweils Bandfutterautomaten montiert. Jeden Morgen wurde das Förderband mechanisch aufgezogen und damit das Uhrwerk gespannt. Über 24 Stunden hinweg wurde das Band durch das Uhrwerk wieder aufgerollt und das aufliegende Futter fiel kontinuierlich über die Kante des Automaten in den Tank, wo es von den Garnelen gefressen wurde.
Jeden Tag wurde die vorberechnete Menge an Futterpellets grammgenau eingewogen und auf den Futterautomaten aufgelegt. Zusätzlich wurde die berechnete Menge der aufgetauten Biofloc-Paste in einem separaten Behälter eingewogen. Diese vorbereitete Tagesmenge der Paste wurde, aufgeteilt auf vier Einzelportionen, über den Tag hinweg direkt in den Versuchstank 2 zugefüttert. Hierzu wurde die Paste mit einem Esslöffel zu kleinen Portionen geformt und in dem Tank verteilt. Die Klumpen sanken auf die installierten Zwischenebenen und auf den Tankboden ab und wurden dort von den Garnelen konsumiert.
2.5) Versuchsende
Nach einer Produktionsphase von 3 Monaten wurde der Versuch beendet, indem beide Tanks abgefischt wurden. Alle Garnelen aus Tank 1 und Tank 2 wurden einzeln gezählt und die gesamte abgeerntete Biomasse gewogen. Aus dem Gesamtgewicht und der Zahl der Tiere wurde im Anschluss dann das durchschnittliche Körpergewicht der Garnelen berechnet.
2.6) Versuchsergebnis
Die Garnelen in Tank 2, die mit einer reduzierten Menge an kommerziellem Futter, aber zusätzlich Bioflocs gefüttert wurden, zeigten eine deutlich höhere Überlebensrate, die um mehr als 12% über der Rate der Vergleichsgruppe in Tank 1 lag.
Das durchschnittliche Körpergewicht der einzelnen Tiere war in Tank 2 zwar niedriger als in Tank 1, aber die gesamte Erntemenge an Garnelen lag um mehrere Kilogramm über der Menge an Garnelen der Referenzgruppe in Tank 1. Das entsprach einem 17% höheren Gesamt-Ertrag der Biofloc-Versuchsgruppe.
3) Zusammenfassung
Der hier dargestellte Versuch belegt am Beispiel von White Tiger Garnelen, dass es möglich ist, bei der Produktion von Garnelen das kommerzielle Garnelenfutter zu mindestens 20% durch eine separat hergestellte Biofloc-Paste zu ersetzen. Da in der kommerziellen Aquakultur das Futter einen signifikanten Anteil an den Gestehungskosten für Fische und Krebstiere darstellt, eröffnet sich hierdurch ein erhebliches Kostensenkungspotential.
Obwohl in der Testgruppe 20% weniger kommerzielles Garnelenfutter verfüttert wurde, lag die Erntemenge an Garnelen um fast 17% höher. Offensichtlich hat die Biofloc-Paste nicht nur das eingesparte Futter kompensiert, sondern sogar die gesamte Wachstumsleistung der Versuchsgruppe verbessert.
Die Überlebensrate der Testgruppe, die Bioflocs konsumiert hatten, lag um 12% über dem Wert der Referenzgruppe. Die Bioflocs lösten vermutlich einen gesundheitsfördernden Effekt aus. Zusätzlich fördern die Bioflocs vermutlich die Überlebenschancen der unterdurchschnittlich großen Tiere, was das etwas niedrigere Durchschnittsgewicht der Versuchsgruppe erklären würde.

Claims

Verfahren zur Garnelenaufzucht mit den folgenden Schritten: (a) Aufzucht von Garnelen in wenigstens einem Aufzuchtbecken, (b) Kultivieren von Bioflocs in einem Biofloc-Reaktor (BFR), (c) Ernten zumindest eines Teils der Bioflocs aus dem BFR, (d) Aufkonzentrieren der geernteten Bioflocs und (e) wiederholtes Zufüttern der aufkonzentrierten Bioflocs zu dem wenigstens ein Aufzuchtbecken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das wenigstens ein Aufzuchtbecken in ein Klarwasser-Aquakultur-Kreislaufsystem eingebunden ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei in das Klarwasser-Aquakultur-Kreislaufsystem eine Vielzahl von Aufzuchtbecken, die von demselben BFR versorgt werden, eingebunden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ernten der Bioflocs aus dem BFR batchweise oder kontinuierlich erfolgt und/oder wobei ein Teil der Bioflocs aus dem BFR geerntet wird und ein Teil im BFR weiter kultiviert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei gelöste und/oder ungelöste Nährstoffe aus dem Klarwasser-Aquakultur-Kreislaufsystem in den BFR eingeleitet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Biofloc-Konzentration und/oder die Stickstoffkonzentration im BFR gesteuert oder geregelt wird, wobei bevorzugt die Stickstoffkonzentration in Form von Ammonium in einem Bereich von 0,5 mg/L bis 2,0 mg/L liegt.
System zur Garnelenaufzucht mit: (a) wenigstens einem Aufzuchtbecken zur Aufzucht von Garnelen, (b) einem Biofloc-Reaktor (BFR) zum Kultivieren von Bioflocs, (c) einer Ernteeinrichtung zur Ernte von Bioflocs aus dem BFR, (d) einer Vorrichtung zur Aufkonzentrierung der geernteten Bioflocs und (e) einer Zufüttereinrichtung zur Zufütterung der aufkonzentrierten Bioflocs zu dem wenigstens ein Aufzuchtbecken.
System nach Anspruch 7, wobei das wenigstens ein Aufzuchtbecken in ein Klarwasser-Aquakultur-Kreislaufsystem eingebunden ist, wobei bevorzugt in das Klarwasser-Aquakultur-Kreislaufsystem eine Vielzahl von Aufzuchtbecken, die von demselben BFR versorgt werden, eingebunden ist.
System nach Anspruch 7 oder 8 ferner umfassend eine Einrichtung zur Bestimmung der im BFR vorliegenden Menge an Bioflocs.
System nach Anspruch 8 oder 9, wobei in das Klarwasser-Aquakultur-Kreislaufsystem wenigstens eine Vorrichtung zum Abscheiden und/oder Abzweigen von ungelösten und/oder gelösten Nährstoffen aus dem Klarwasser-Aquakultur-Kreislaufsystem in den BFR eingebunden ist.