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Die
Erfindung betrifft eine Biogasanlage mit einem Biomasse fermentierenden,
Gärreste
produzierenden Fermenter, einem mit dem Fermenter verbundenen, die
Gärreste
aufnehmenden Vorlagebehälter,
und einem photosynthetisch aktive Organismen aufweisenden Photobioreaktor.
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Es
ist seit langem bekannt, dass Mikroorganismen als sogenannte Bioreaktoren
zur Gewinnung wertvoller Inhaltstoffe, Tierfutter oder Nahrungsergänzungsmittel
verwendet werden können.
Hierbei gewinnt insbesondere die Zucht photosynthetisch aktiver
Organismen zu nehmend an Bedeutung, wobei die in Frage kommenden
Organismen eine heterogene Gruppe verschiedener Taxa bilden, die
im Folgenden allgemein als „Algen" bezeichnet werden.
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Darüber hinaus
können
Mikroalgen auch aufgrund ihrer großen Wachstumsraten, die das 10fache
der Wachstumsraten von Landpflanzen erreichen (Kojima et al. 2001),
auch zur biologischen Biogasaufbereitung genutzt werden, wobei die
Algen das Kohlendioxid aus dem Biogas für ihre Photosynthese nutzen
(vgl. auch
DE 103
46 471 A1 ).
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Ein
wichtiger Kostenfaktor bei der Kultivierung von Algen ist die Bereitstellung
geeigneter Nährmedien
(Pohl et al. An inexpensive inorganic medium for the mass
cultivation of freshwater microalgae. Phytochem. 26(6): 1657–1659; 1987).
Bei der biologischen Biogasaufbereitung ist es außerdem wichtig, dass
die in den Medien enthaltenen Stoffe den Fermenmtationsprozess nicht
beeinträchtigen.
Außerdem
werden bei der biologischen Biogasaufbereitung über die Algenbiomasse auch
größere Mengen
von Wasser in den Fermenter eingebracht, diese müssen anschließend entsorgt
werden, wodurch zusätzliche Kosten
entstehen.
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Um
den derzeit großen
Kostenfaktor für
die Herstellung entsprechender Nährmedien
reduzieren zu können,
bilden oftmals verdünnte
Wirtschaftsdünger
und Abwässer
die Grundlage für
die Algenzucht (Travieso et al. Batch mixed culture of Chlorella
vulgaris using settled and diluted piggery waste. Ecological Engineering
28: 158–165;
2006/Kojima et al. Photosynthetic Mikroorganisms in Enviromentl
Biotechnology. Springer; 2001).
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Der
Erfinder der vorliegenden Erfindung konnte in eigenen Experimenten
mit der Mikroalge Chlorella vulgaris Stamm BEIJERINCK 211-11b zeigen,
dass sich auch die bei der Faul-/Biogasgewinnung
anfallenden Gärreste
grundsätzlich
als Nährsubstrat
für die
Algenzucht eignen. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, dass bei
der Faulgasgewinnung eine Mineralisation erfolgt, wodurch die Verfügbarkeit der
Nährstoffe
aus den Ausgangssubstraten verbessert wird.
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Wie
bei den bekannten Wirtschaftdüngern und
Abwässern
treten aber auch bei der Verwendung von Gärresten aus der Faul-Biogasgewinnung
nachteilige Effekte auf, die eine Nutzung als Nährstoffquelle für die Algenzucht
nur bedingt zulassen:
Der in den Gärresten verfügbare Stickstoff
liegt größtenteils
in Form von Ammonium und Ammoniak vor, die sich negativ auf das
Algenwachstum auswirken können
(Källqvist
und Svenson. Assessment of ammonia toxicity in tests with the microalga,
Nephroselmis pyriformis, Chlorophyta. Water Research 37: 477–484; 2002).
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Schwermetalle
(vor allem Cu, Zn und Cd), die an der organischen Substanz haften,
können desorbieren,
in Lösung
gehen und auf die zu kultivierenden Mikroorganismen toxisch wirken
oder die Qualität
des Ernteprodukts vermindern.
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Weiterhin
können
sich auch unerwünschte Keime
oder andere Mikroorganismen (z.B. Algen) im Nährmedium ausbreiten, sodass
beispielsweise Sporen aus den Wirtschaftdüngern in das Nährmedium gelangen
und sich dort unkontrolliert vermehren können. Insbesondere stellen
coliforme Keime eine potenziell für Mensch und Tier gefährliche
Quelle dar, die das Produkt verunreinigen können.
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Schließlich aber
hindert auch die starke Eigenfärbung
der Gärreste
die effektive Nutzung der Gärreste
als Nährmedium
für photosynthetisch
aktive Mikroorganismen. Selbst wenn die Feststoffe weitestgehend
von der Flüssigphase
abgetrennt werden, weist die Flüssigphase
immer noch eine derart starke Eigenfärbung auf, dass diese die Eindringtiefe des
Lichtes und dadurch das Wachstum der photosynthetisch aktiven Mikroorganismen/Algen
reduziert.
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Von
dieser Sachlage ausgehend hat es sich der Anmelder der vorliegenden
Erfindung zur Aufgabe gemacht, eine Biogasanlage zu entwickeln,
die Wirtschaftsdünger,
Abwässer
und auch Gärreste
aus der Faul-Biogasgewinnung effektiv nutzen kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die Biogasanlage mit den Merkmalen von Anspruch
1 gelöst.
Die abhängigen
Unteransprüche
geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
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Grundgedanke
der Erfindung ist die das Wachstum der photosynthetisch aktiven
Organismen (z.B. Algen) begrenzenden und/oder dafür unerwünschten
Bestandteile von Gärresten,
Abwasser und/oder landwirtschaftlichem Dünger, wie hochmolekulare Verbindungen
mit starker Eigenfärbung
(u.a. Huminstoffe), Feststoffe und Keime, durch Dialyse zu entfernen.
Das Dialysat dient den photosynthetisch aktiven Organismen als Nährmedium.
Außerdem wird
die Zufuhr von Wasser in das System reduziert, indem Kondenswasser
aus der Biogasanlage für
die Algenzucht genutzt wird.
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Als
Dialysat eignen sich Flüssigkeiten
mit geringer Nährstoffkonzentration,
z.B. Leitungswasser, demineralisiertes Wasser, Regenwasser oder
in der Biogasanlage gewonnenes Kondenswasser. Das Dialysat kann
auch ganz oder teilweise aus einem nährstoffarmen Algen-Nährmedium oder einer nährstoffarmen
Algensuspension bestehen, welches durch das Algenwachstum bereits
an Nährstoffen verarmt
ist. Das Algenmedium wird dann durch den mit Dialysat gefüllten Behälter oder
durch die Membranschläuche
(wenn sich die Wirtschaftdünger
Außen
befinden) geleitet und dort erneut mit Nährstoffen angereichert.
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Prinzipiell
spielt es dabei keine Rolle, ob die filtrierten Gärreste vom
Dialysat umspült
werden (im Beispiel 1 gezeigt) oder das Dialysat von den filtrierten
Gärresten
umspült
wird. Wird das Dialysat von den filtrierten, zu dialysierenden Gärresten
umspült, ist
vorgesehen, dass in der das Dialysat führenden Leitung, die eine semipermeable
Membran aufweist, gegenüber
der Gärreste
führenden
Leitung Überdruck
herrscht. So kann wirkungsvoll verhindert werden, dass im Falle
einer Beschädigung
der Membran nicht dialysierte Gärreste
in das Dialysat übertreten und
damit die Effektivität
der Dialyse verringert.
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Als
mit Dialysat gefüllter
Behälter
kann auch der Photobioreaktor selbst dienen, dann liegt der für die Dialyse
eingerichtete Teilabschnitt direkt im Photobioreaktor.
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Das
Verfahren eignet sich insbesondere für die biologische Biogasaufbereitung
durch Algen, da die vor Ort vorhandenen Nährstoffe (Gärreste, Gülle) für die Ernährung der Algen genutzt werden
können. Dies
senkt die Kosten für
die Gasreinigung.
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Die
Diffusion der Nährstoffe
wird gefördert, indem
Luft oder Gas bzw. Gasgemische in das Dialysat eingeleitet werden.
Durch die ausgelösten
Bewegungen im Medium wird der Diffusionsgradienten an der Dialysemembran
aufrechterhalten. Hierfür
wird bevorzugt Faul-Biogas
verwendet, da so das Dialysat mit Kohlenstoffdioxid aus dem Biogas
angereichert werden kann, was sich positiv auf das Algenwachstum
auswirkt.
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Der
bei der Photosynthese der Algen entstandene Sauerstoff kann genutzt
werden um eine mikrobielle Umsetzung des Ammoniums zu Nitrat zu fördern. Die
für die
Nitrifikation benötigten
Mikroben können
sich im mit Dialysat gefüllten
Behälter
natürlich
ansiedeln oder durch Beimpfung eingebracht werden.
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Die
Nitrifikation wirkt sich positiv auf das Wachstum der meisten Algen
aus, da diese Nitrat als N-Quelle bevorzugen.
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Der
photosynthetisch gebildete Sauerstoff aus dem Photobioreaktor kann
abgeschieden werden und einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zugeführt werden,
oder einem andern Verwendungszweck dienen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen beispielhafter
Ausgestaltungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Anlagenaufbaus zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 ein
die Abhängigkeit
des Wachstums von Chlorella vulgaris von der Nährstoffkonzentration dialysierter
Nährmedien
darstellendes Diagramm und
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3 ein
Diagramm, dass die Abhängigkeit der
optischen Dichte von der Konzentration filtrierter Gärreste und
dialysierter Gärreste
bei einer Wellenlänge
von λ =
680 nm darstellt.
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1 (Beispiel
I) zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung einer Biogasanlage nach
der Erfindung. Erfindungsgemäß ist ein
Vorlagebehälter
vorgesehen, wobei die in den Vorlagebehälter eingebrachten Gärreste im
gezeigten Beispiel nicht homogenisiert wird, sodass sich eine Schwimmschicht 10, eine
Setzschicht 20 und eine flüssige Schicht 30 ausbildet.
Durch das Ausnutzen der natürlich
entstehenden Separation kann der Aufwand für die anschließende Filtration
minimiert werden. Der Vorlagebehälter
kann auch als Gärrestlager
oder Nachgärer
dienen. Mit dem Vorlagebehälter
ist eine Leitung verbunden, die bevorzugt im Grenzbereich zwischen Schwimm- 10 und
Setzschicht 20 angeordnet ist und zum Abführen von
Gärresten
aus dem Vorlagebehälter
eingerichtet ist. Die Leitung führt
senkrecht durch die Schwimmschicht. Da sich der Pegel im Vorlagebehälter durch
Befüllungs-
und Entnahmevorgänge andern
kann, ist die Leitung vorzugsweise so gestaltet, das sie durch einen
Hohlkörper
getragen auf den Gärresten
schwimmt. Ein Abschnitt der Leitung ist flexibel ausgestaltet, damit
sich die Länge
den ändernden
Pegelständen
anpassen kann.
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Da
bevorzugt Material mit einem geringen Feststoffanteil entnommen
werden soll, kann beispielsweise ein Röhrensieb, das Feststoffe im
Vorlagebehälter
zurückhält, oder
ein Zentrifugenabscheider, der für
die weitere Verarbeitung schädliche
Partikel entfernt, vorgesehen sein.
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Für die Dialyse
ist in 1 ein Behälter 70 (im
Folgenden Aufbereiter genannt) vorgesehen, der ein Dialysat aufnimmt,
und in dessen gefülltes
Lumen die mit dem Vorlagebehälter
verbundene Leitung mit ihrem zur Dialyse eingerichteten Leitungsabschnitt 80 geführt ist.
Dabei können
auch – wie
gezeigt – mehr
als ein Leitungsabschnitt 80 vorgesehen sein, um die Oberfläche der
Leitung und damit die Effektivität
der Dialyse zu erhöhen.
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Der
Aufbereiter ist mit einer zu- und abführenden, zum Vorlagebehälter offenen
Ringleitung, mit dem Vorlagebehälter
verbunden.
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Die
mit dem Vorlagebehälter
verbundene Leitung weist einen Leitungsabschnitt auf, der zur Dialyse
des aus dem Vorlagebehälter
entnommenen Materials eingerichtet ist, also aus einem semipermeablen
Material besteht. Das dem Vorlagebehälter entnommene Material wird
diesem Leitungsabschnitt zugeführt,
wobei im gezeigten Beispiel vorgesehen ist, dass die mit dem Vorlagebehälter verbundene Leitung
auch einen Abschnitt mit einem Vorratsbehälter 60 für filtriertes
entnommenes Material aufweist. Der Vorratbehälter dient der Bereitstellung
von Gärrestefiltrat,
auch wenn der Vorlagebehälter
keine Gärreste
bereitstellen kann. Dies kann nach einer Entleerung des Vorlagebehälters der
Fall sein, wenn keine Gärreste
vorhanden sind oder die Gärreste
nur homogenisiert vorliegen (keine Schwimmschicht).
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Als
den im gezeigten Beispiel zur Dialyse eingerichteten Leitungsabschnitt
mit semipermeabler Membran können
beispielsweise Dialyseschläuche aus
Zellophan verwendet werden. Dabei diffundieren Nährsalze und niedermolekulare
Verbindungen durch die Mikroporen der Membran in das Dialysat. Keime,
stark färbende
und hochmolekulare Verbindungen werden jedoch zurückgehalten.
Ein Großteil der
an der organischen Substanz sorbierten Schwermetalle wird dabei
ebenfalls zurückgehalten.
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Der
Aufbereiter 70 wird vorzugsweise außen mit kalkarmen Wasser befüllt, während in
den Membranen das Gärrestfiltrat
eingeleitet wird. Als Wasser wird bevorzugt Kondenswasser, welches
im Fermenter bzw. einem Nachgärer
gewonnen wurde verwendet. Sollte die Kondenswassermenge nicht ausreichen
wird Regenwasser verwendet. Das Regenwasser kann beispielsweise
vom Dach des Vorlagebehälters
oder eines anderen Gebäudes
gewonnen und in einem Regenwassertank 40 vorgehalten werden. So
kann kostengünstig
entkalktes Wasser bereitgestellt werden.
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Da
die Algenbiomasse im Beispiel wieder dem Fermenter zugeführt wird
um dort erneut einem Gärprozess
ausgesetzt zu werden, muss das Wasser in der Regel nicht steril
gehalten werden.
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Für die biol.
Biogasaufbereitung, wird das Biogas einer physikalischen Wäsche in
einem Gaswaschturm unterzogen, wobei sich das CO2 in
der Algensuspension löst
und mit dieser in den nach außen hin
offenen Photobioreaktor überführt wird.
Nebenbestandteile im Gas (z.B. NH4, H2S) lösen
sich im wässrigen
System und werden als Spurenbestandteile von den Algen verstoffwechselt.
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Die
Funktion des Gaswaschturms wird im Beispiel durch den Aufbereiter
mit übernommen,
indem das Biogas in den Aufbereiter eingeblasen wird und zwischen
diesem und dem Fermenter zirkuliert.
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Die
Algensuspension zirkuliert kontinuierlich oder periodisch zwischen
Photobioreaktor 130 und Aufbereiter 70. Da bevorzugt
kein Licht in den Aufbereiter fällt,
wird hier auch kein für
den Gärprozess
im Fermenter schädlicher
Sauerstoff von den Algen produziert.
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Da
das Gärrestflitrat
zumeist alkalisch ist steigt auch der pH-Wert des Dialysats, was
dessen CO2-Aufnahmefähigkeit verbessert.
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Die
durch das Einleiten von Biogas hervorgerufene Wasserbewegung erhält den Konzentrationsgradienten
an der Membran aufrecht, so wird die Diffusion der Nährsalze
(bzw. Nährstoffe)
gefördert.
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Durch
die Diffusion verarmt das Gärrestfiltrat in
den Schläuchen
an Nährstoffen,
während
die Nährstoffkonzentration
im Dialysat steigt. Durch das Algenwachstum wird wiederum die Nährstoffkonzentration
im Dialysat herabgesetzt. Die Nährstoffkonzentration
im Filtrat und Dialysat korreliert mit dessen elektrischer Leitfähigkeit.
Daher kann die für
das Algenwachstum optimale, substrat- und algenspezifische Nährstoffkonzentration über Messung
der elektrischen Leitfähigkeit
im Filtrat und Dialysat, sowie über
Algenparameter wie Wachstumsrate, optische Dichte und Chlorophyllfluoreszenz
(z.B. Gentyparameter, photochemisches quenching) erfasst und überwacht
werden. Wenn die Nährstoffkonzentration im
Dialysat unter einen definierten Toleranzwert fällt, wird unverbrauchtes Filtrat
zudosiert. Das erschöpfte Filtrat,
wird weiter – daher
zurück
in den Vorlagebehälter
gepumpt. Der Pumpvorgang ist so gestaltet, das die Membranschläuche nicht
kollabieren oder platzen.
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Dies
kann geschehen indem die filtrierten Gärreste nicht direkt mit der
Pumpe verbunden sind, sondern zunächst in einen nicht hermetisch
geschlossenen, dem Aufbereiter vorgelagerten Behälter gepumpt werden (nicht
dargestellt), wobei der Pegelstand des Behälters etwas über dem
für die
Dialyse vorgesehenen Leitungsabschnitt liegt. Hinter dem für die Dialyse
vorgesehen Leitungsabschnitt liegt ebenfalls ein nicht hermetisch
geschlossener Behälter
auf gleicher Höhe
zum ersten Behälter
(nicht dargestellt). Beim zudosieren, werden die filtrierten Gärreste in
den ersten Behälter
gepumpt, wodurch frisches Filtrat durch die Dialyseschläuche in
den Nachgelagerten Behälter
fließen
und sich der Pegelstand im nachgelagerten Behälter erhöht. Dadurch wird im nachgelagerten
Behälter
eine, durch einen Schwimmer regulierte zweite Pumpe aktiviert, die den
Pegelstand auf dem ursprünglichen
Niveau hält (nicht
dargestellt).
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In
den Gärresten
liegt der Stickstoff hauptsächlich
in Form von Ammonium vor. Der durch die Algen erzeugte Sauerstoff
trägt zur
mikrobiellen Nitrifikation des Ammoniums bei. Hierzu wird der Photobioreaktor
mit den erforderlichen Mikroben beimpft.
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Ergänzungsmittel
wie Nährstoffe,
Vitamine oder Substanzen zur pH-Regulation können bei Bedarf zugeführt werden
(nicht dargestellt).
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Die
erzeugte Algenbiomasse wird im Beispiel von der Algensuspension
abgeschieden (z.B. durch Sedimentation; nicht dargestellt) und aus
dem Photobioreaktor in den Fermenter überführt.
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Es
wird immer soviel Algenbiomasse aus dem PBR in den Fermenter überführt, dass
die für
die CO2-Fixierung optimale Algendichte aufrechterhalten wird.
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Der
durch den Algenexport reduzierte Pegelstand im Photobioreaktor und
Aufbereiter wird durch Kondens- bzw. Regenwasser aus dem Vorratsbehälter ausgeglichen.
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2 zeigt
den Zuwachs von Chlorella vulgaris (Stamm Beijerinck 211-11b) auf
durch Dialyse hergestellten Nährmedien
(ohne Nitrifkation, d.h. nitratfrei), mit unterschiedlicher Nähr stoffkonzentration (0,4;
0,6; 0,8; 1,0; 1,2 mS) ausgedrückt
in % des Süßwasserreferenzmediums
(BG11) Das Wachstum fand unter erhöhtem atmosphärischen
CO2-Partialdruck (10% v/v) statt. Die Versuche
wurden mit 21 ml Medium in 50 ml Erlernmeierkolben auf dem Schüttler bei
78 [μmol
m–2 s–1]
Dauerbeleuchtung und stark erhöhtem
atmosphärischen
CO2-Partialdruck
(10% v/v) (doppelt) durchgeführt.
Der Zuwachs wurde über die
Optische Dichte bei 750 nm am Photometer gemessen. (Versuchsdauer:
7 Tage. Mittelwerte (n = 4) ± SD).
Neben dem Referenzmedium welches nur Kaliumnitrat als N-Quelle enthält, wurde
eine modifizierte Variante (BG + NH4) mit gleichen Teilen Kaliumnitrat
und Ammoniumsulfat als N-Quelle
getestet. Da sich die Ammomiumernährung deutlich negativ auf das
Algenwachstum auswirkte, scheint dies den aus der Literatur bekannten
negativen Wachstumseffekt der Ammoniumernährung zu bestätigen. Im
Umkehrschluss ist von einem positiven Wachstumseffekt durch Nitrifikation
bei den Gärrestdialysaten
auszugehen. Durch längere
Adaptionszeiten und Wahl geeigneterer Algenstämme können sicherlich noch bessere
Wachstumsraten erzielt werden.
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Die
in 3 gezeigten Ergebnisse der ersten eigenen Versuche
mit der Grünalge
Chlorella vulgaris zeigen, dass sich Gärreste zur Ernährung von Algen
eignen und das Wachstum durch das Dialyseverfahren stark verbessert
werden kann. Die Versuche wurden am Institut für Pflanzenernährung und Bodenkunde
der CAU Kiel durchgeführt.
Untersucht wurden Gärreste
mit ausschließlich
Maissilage, Maissilage und Schweinegülle sowie Maissilage und Rindergülle als
Ausgangssubstrat. Alle Gärreste
eigneten sich generell zur Kultivierung der verwendeten Mikroalge
Chlorella vulgaris (Stamm Beijerinck 211-11b).
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3 zeigt
die optische Dichte ausgedrückt in
Absorbtionseinheiten (A.U.) von filtrierten Gärresten (MG) und dialysierten
Gärresten
(DMG) unterschiedlicher Konzentration bei 680 nm (OD680).
Die Konzentration wird in elektrischer Leifähigkeit [mS] ausgedrückt. Ausgangssubstrat
für die
Vergärung war
Maissilage. Als semipermeable Membran wurden Dialyseschläuche der
Fa. Kleinfeld verwendet (molecular weight cut-off: 12.000–14.000
Da; entsprechend ca. 24 Ångström).
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Das
Reaktionszentrum von Photosystem II bildet ein spezielles Chlorophyll
a Molekül,
welches P680 genannt wird, es absorbiert maximal bei 680 nm. Wie
stark die Trübung
eines Mediums auf die Photosynthese wirkt, lässt sich daher durch die Absorption
bei 680 nm charakterisieren. Diese Trübung wird auch als optische
Dichte bei 680 nm (OD680) bezeichnet.
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Die
Absorption im für
das Wachstum relevanten Konzentrationsbereich lag bei dem untersuchten
Gärrestfiltrat
100–150fach über der
Absorbtion des Dialysats.