DE2457325A1

DE2457325A1 - Verfahren zur erzeugung von biopolymeren aus algen

Info

Publication number: DE2457325A1
Application number: DE19742457325
Authority: DE
Inventors: Samuel Fogel; @@ Foster Patricia L; Paula Schenck; Jun William W Walker
Original assignee: American Bioculture Inc
Current assignee: American Bioculture Inc
Priority date: 1973-12-04
Filing date: 1974-12-04
Publication date: 1975-06-05
Also published as: FR2253091A1; BE822947A; FR2253091B3; CA1040122A; ES432537A1; AU7595074A; IT1026745B; BR7410082A; NL7415821A; IL46188A0; ZA747631B; JPS50105880A; GB1496346A; AU510007B2

Description

Verfahren zur Erzeugung von Biopolymeren aus Als;en

Die Erfindung betrifft die Züchtung von Algen zur Bildung von langkettigen Polymeren mit ]?lockungseigenschaften.Algen werden in einem wässrigen Nahrmedium gezüchtet bis optimale Kulturdichten erreicht werden und anschließend unter Bedingungen, bei denen sie nicht ausreichend Stickstoff haben, wodurch die Zellen von der Wachstumsphase, in der die Proteinbildung überwiegt, in eine Wachstumsphase übergehen, in der die extrazelluläre Polymerbildung überwiegt· Eine angemessene Zurverfügung«* stellung von anderen Nährstoffen sowie CO₂ und Licht wird in dem Kulturmedium während der letzteren Phase aufrechterhalten, um sicherzustellen, daß die Wachstumsbeschränkung nur durch den Mangel an Stickstoff hervorgerufen wird» Die Algen bilden hoch-molekulare Polymere, die eine starke llockungsaktivität besitzen.

Die Erfindung betrifft die Züchtung und Anwendung von Algen als Quelle für polymere Materialien, die eine starke Flockungsaktivität besitzen. Ein wichtiger Gegenstand der Erfindung ist

6098 23/0960

ORIGINAL INSPECTED

■ - ² - U-45 800

die Regelung- des Algenwachstums so daß die Bildung großer Mengen an Flockungsmitteln begünstigt wird, die geeignet sind zur Abwasserbehandlung, zum Abbau und zur Entfernung von Feststoffen, der Verminderung des biologischen Sauerstoffbedarfs (BOD) und dem Abbau von Fettschichten, Die Flockungsmittel sind auch geeignet zur. Aufbereitung von Böden zur Verbesserung des Ackerbaus zur Verbesserung der Belüftung, Drainage, Feuchtigkeitszurückhaltung und Wurzelentwicklung sowie auf anderen Gebieten wo Flockungsmittel üblicherweise angewandt werden, z.B, in der Bohrflüssigkeit-Technologie als Streckmittel für Bohrsohlamm« Es ist bekannt, daß Produkte mit Flockungsaktivität in höheren Konzentrationen auch geeignet sind als oberflächenaktive Mittel, Detergentien, Emulgatoren und Dispersionsmittel, Die erfindungsgemäß erzeugten Produkte sind in entsprechenden Konzentrationen für derartige Zwecke geeignet.

Die Bildung bzw, Züchtung von Algen als Quelle für proteinreiche Nährstoffe für Tiere und Menschen sowie als Quelle für andere wertvolle Produkte wie Farbstoffe, Vitamine und ähnliches ist ausführlich beschrieben in "the Carnegie Institution of Washington publication Nr, 600, Algal Culture from Laboratory to Pilot Plant, herausgegeben von John S. Burlew, veröffentlicht in Washington, D,C, 1964", Diese Veröffentlichung enthält Untersuchungen der verschiedenen Faktoren.die berücksichtigt werden müssen um hohe Ausbeuten von Algenkulturen zu erreichen, wobei in erster Linie die Art Chlorella pyrenoidosa Ins Auge gefaßt wird aber die Anwendbarkeit auf andere Algenarten ebenfalls angegeben ist. Ferner beschreibt diese Veröffentlichung und andere Druckschriften wie die US-PS 2 732 661 die Züchtung von Algen unter Bedingungen, die zu einem Überwiegen an„intrazellulärem Protein, Lipiden oder Kohlenhydraten führen durch Regelung der Menge an verfügbarem Stickstoff, Die Züchtung von Algen als Quelle von Proteinen und Lipiden und anderen von der Alge gebildeten Substanzen wird in der Carnegie-Veröffentlichung diskutiert.

Aus einer anderen Veröffentlichung ist die Verwendung von bakteriellen Polysacchariden als Flockungsmittel, besonders

509823/0960

ORIGINAL INSPECTED

- 3 - 1A-45 800

zur Agglomeration von Bodenteiloben und die.damit verbundenen. Verbesserung der Bodenstruktur bekannt. Patentschriften wie die US-PS 2 780 888 und 2 901 864 beschreiben die Anwendung dieser bakteriell gebildeten Biopolymeren auf dem Boden zur Erhöhung der Boden-Agglomeration und dadurch Erzeugung einer Granuläretruktur, die .ausreichend porös ist um ein Durchdringen des Bodens mit Luft, Wasser und Pflanzenwurzel·!zu ermöglichen. Nach diesen Patentschriften wird Saccharose als Ausgangsmaterial in Dextran umgewandelt, indem man ein Nährmedium, enthaltend Saccharose mit einem Dextran-synthetisierenden Bakterium wie Leuconostoc mesenteroides beimpft. Das Dextran kann in körniger 3?orm oder in lösung in einem wässrigen Medium auf dem Boden aufgebracht werden.

Neben dem oben gesagten sind langkettige synthetische Polymere, die geeignet sind zur Aufbereitung von Böden und zur Agglomeration von Böden sowie für andere Anwendungsgebiete, bei denen eine Flockungsaktivität erforderlich ist, beschrieben. Beispiele für synthetische polymere Materialien, die zur Erhöhung der Agglomeration im Oberflächenboden geeignet sind, sind in der US-PS 2 651 885 beschrieben. Diese Patentschrift gibt wasserlösliche polymere Elektrolyten mit einem Molekulargewicht von mindestens 10000 wie Polymere von Acrylsäure, Copolymere von Maleinsäureanhydrid und ähnlichem an. Diese polymeren Substanzen sind geeignet zur Verbesserung der Bodenstruktur, aber ihre Anwendung ist aufgrund ihrer hohen Kosten begrenzt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein neues besseres Verfahren zur Erzeugung von Flockungsmitteln zu entwickeln. Dabei sind bei einem wirtschaftlichen Verfahren Algen, Licht und eine Quelle für assimilierbaren Kohlenstoff und übliche Pflanzennährstoffe erforderlich. Dabei werden die für die Algen zur Verfügung stehenden Nährstoffe, besonders Stickstoff und Phosphor so reguliert, daß die Bildung von Flockungsmitteln zunimmt.

-4-609823/0960

ORiGJNAL INSPECTED

- 4 - 1A-45 800

Die Erfindung beruht grundsätzlich auf der Feststellung, daß Algen so gezüchtet werden können, daß die Bildung von Flockungsmitteln begünstigt wird, indem man den Zellstickstoff begrenzt. Es hat sich gezeigt, daß wenn eine Algenkultur den verfügbaren Stickstoff aufgebraucht hat, so daß die Zellen nicht ausreichend Stickstoff erhalten und wenn andere Nährstoffe in dem Medium in ausreichender Menge zur Verfügung stehen, so daß sie die Wachstumsfaktoren nicht begrenzen, die Zellen bevorzugt hoch-molekulare extrazellulare Polymere bilden, die eine starke Flockungsaktivität besitzen«

Diese von Algen gebildeten Polymeren sind nicht vollständig identifiziert. Sie sind jedoch mit Äthanol ausfällbar, ergeben die Antbron-Zuckerreaktion und es wird daher angenommen, daß es sich um Polysaccharide handelt. Die Filtration durch geeichte Membranen zeigt an, daß sie ein Molekulargewicht von nahezu 100 000(Dalton)besitzen. Bei Versuchen wird die Flockungsaktivität nicht zerstört durch proteolytische Enzyme. Das zeigt an, daß die Polymere nicht proteinartig sind. Die erfindungsgemäß gebildeten Flockungsmittel sind in erster Linie extrazelluläre Metaboliten, obwohl bei bestimmten Arten die Flockungsaktivität auch in gewissem Maße verbunden 1st mit der Substanz der Algenzellen. Vom funktionellen Standpunkt aus ähneln die erfindungsgemäß gebildeten Flockungsmittel den bakteriellen Polysacchariden und synthetischen polymeren Flockungsmitteln, die oben erwähnt sind.

Die Bedingungen zur Optimierung der Ausbeuten an Algen sind in der oben angegebenen Veröffentlichung"Algal Culture from Laboratory to Pilot Plant^⁶£runiisätzlich benötigen die Algen eine ausreichende Kohlenstoffquelle, üblicherweise in Form von Kohlendioxid, Licht als Energiequelle, eine Quelle für Nährstoffe und günstige Temperaturbedingungen. Das ITährmedium unterscheidet sich nicht grundlegend von denjenigen wie es für höhere Pflanzen angewandt wird, das aus einer wässrigen Lösung von fixiertem Stickstoff anderen Mineralnährstoffen und Mikronährstoffen besteht«. Die Algen wachsen in natürlichem Sonnenlicht

— 5 — 509823/0960

- 5 - 1A-45 800

oder künstlichem licht, das zum Beispiel mit Hilfe von Grolux-Lampen erzeugt werden kann.

Wenn Algen in einem geeigneten Nahrmedium mit entsprechendem licht bei günstigen Temperaturen, wie in der oben erwähnten Veröffentlichung angegeben, gezüchtet werden, tritt eine expοnentieile Wachsturnsphase auf, bei der eine geometrische Zunahme der Zellzahl stattfindet. Wenn die Kultur weiter wächst erreicht sie einen Punkt, wo sich die Fortpflanzungsgeschwindigkeit verlangsamt und in eine stationäre Phase eintritt, in der keine oder nur eine geringe Zunahme der Populationsdichte auftritt, hauptsächlich aufgrund des Verbrauchs von einem oder mehreren Nährstoffen in der Nährlösung, der Tatsache, daß das licht die Kultur nicht ausreichend durchdringen kann oder daß nicht ausreichend Kohlendioxid vorhanden ist. Bei der Erzeugung von Flockungsmitteln werden erfindungsgemäß die Algen zunächst unter Bedingungen gezüchtet^ die ein gesundes Wachstum begünstigen, um eine möglichst hohe Ausbeute zu erzielen. Wenn eine vorher bestimmte Zelldichte erreicht ist,wie sie durch die Anzahl der Zellen oder das Gewicht der Zellmasse pro Yolumeneinheit Medium bestimmt wird, wird die Kultur unter Bedingungen durchgeführt,wie sie hier beschrieben werden, um die Bildung von Flockungsmitteln zu begünstigen. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kultur aus dem 1· oder Brutgefäß gewonnen, wenn sie ihre maximale Dichte erreicht, das heißt bei oder nahe am Ende der logarithmischen Wachstums-

7 fi

stufe. Typische Dichten von 1 χ 10 bis ungefähr 1 χ 10 Zellen/ml entsprechend ungefähr 0,2 bis 2 g/l werden erreicht bevor das exponentiell Wachstum abnimmt und diese Dichten sind vom Standpunkt der Bildung von Flockungsmitteln im technischen Maßstab geeignet. Die Kultur wird dann in ein Gefäß gegeben, indem sie unter Bedingungen fortgesetzt wird, die die Bildung von Flockungsmitteln begünstigen. Während dieser Wachstumsphase wird die Kultur unter Bedingungen durchgeführt, bei denen ein Stickstoff mangel herrscht. Während des exponentiellen Wachstums macht der Zellularstickstoff ungefähr 10 $ Trockengewicht aus,

-6-

5098?3/0960

- 6 - 1A-45 800

wenn die anderen Wachstumsfaktoren nicht begrenzend sind. Im Gegensatz dazu wird eine Flockungsmittelbildung in großen Mengen beobachtet, wenn der Zellstickstoff unter 5 $ Trockengewicht beträgt.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren auf breitem Gebiet anwendbar ist zur Züchtung von Algen, ist es besonders geeignet zur Züchtung von grünen und nicht Stickstoff-bindenden blaugrünen Algen· Ausgezeichnete Ergebnisse werden erzielt bei Anwendung bestimmter grüner einzelliger Algen, die normalerweise im Boden und frischem Wasser vorkommen· Eine bevorzugte Art ist Chlamydomonas· Innerhalb dieser Art hat es sich gezeigt, daß Kulturen von Chlamydomonas mexicana außergewöhnlich gute Ergebnisse liefern· Ein weiteres Beispiel für eine Alge,auf die das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden kann, ist Chlorella, wobei Chlorella pyrenoidosa besonders günstig ist·

Es hat sich gezeigt, daß Chlamydomonas mexicana, wenn sie erfindungsgemäß gezüchtet wird, ein aktives Flockungsmittel bildet, das 80 io des Trockengewichts der gesamten Kultur ausmacht« Das Mittel ist unter normalen Raumbedingungen stabil· Es wurde kein Verlust der Floekungsaktivität bei Kulturen beobachtet, die bis zu 6 Wochen bei Raumtemperatur gelagert worden sind.

Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es wichtig, daß die Kulturen ausreichendem Licht ausgesetzt werden und während der Bildung des Flockungsmittels sowie während der Wachstumsphase ausreichend Kohlendioxid erhalten. Während der Bildungsphase des Flockungsmittels ist es bevorzugt, daß die Kulturen im wesentlichen kontinuierlich dem Licit ausgesetzt werden· Wenn das der Fall ist, werden h&iejsAusbeuten an Flockungsmittel erhalten. Es wird angenommen, daß dies der Fall ist, da die Algen auf ihre Kohlenhydratreserve zurückgreifen, wenn ihnen nicht ausreichend Licht zur Verfügung steht, so daß die Bildung von Flockungsmittel begrenzt wird.

-7-

509823/0 960

- 7 - 1A-45 800

Bei den folgenden Zeichnungen ist:

Figo 1 ein Diagramm, bei dem das Wachsturn₍der Kohlenhydratgehalt, die Viskosität und der Plockungswert als Punktion der Zeit angegeben sind;

Pig. 2 eine Darstellung des Verhältnisses zwischen Flockungswert und Zellstickstoff;

Pig. 3 ein Diagramm, bei dem der Kohlenhydratgehalt bzw. die Anzahl der Zellen gegen die Zeit aufgetragen sind;

Pig. 4 ein Diagramm, bei dem das Wachstum der Kultur, gemessen durch die optische Ilichte und die Viskosität der Kulturen, die auf dem Medium wachsen,- bei unterschiedlichen Stickstoffkonzentrationen angegeben ist;

Pig. 5a . ein Teil der in Pig. 5 angegebenen Vorrichtung;

Pig. 5 eine Vorrichtung, die geeignet ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Pig. 6 ein Pließschema für das erfindungsgemäße Verfahren;

Pig. 7 ein Diagramm, bei dem die Plockungswerte von Kulturen von Chlorella bei verschiedenen Zellphοsphorgehalten gegen die Zeit angegeben ssi&cL.

Pig. 8 ein Diagramm, bei dem die Plockungswerte der erfindungsgemäß hergestellten Kulturen verglichen werden mit einem Styrolsulfonat-Plockungsmittel;und

Pig. 9 Diagram^ die die Wirkung von erfindungsgemäß hergestellten Flockungsmitteln auf den Boden zeigen.

-8-

609823/0 960

1A-45 800

Bei den folgenden Beispielen werden die verschiedenen erfindungsgemäßen Aspekte unter Anwendung von Grünalgen der Art Clilamydomonas mexicana und Chlorella pyrenoidosa gezeigt. Bei den Versuchen wurde das in Tabelle I angegebene Mahrmedium für die Wachstums- und Bildungsphase des Flockungsmittels für die Züchtung voa Algen der Art Chlamydomonas mexicana angewandt»

	2,86	Tabelle I	0,180 g/l	26	,1	g/l	1
	0 1,23		0,050 g/l	24	,9	g/l
	₂0 0,22		' 0,166 g/l	263		ml/1
	1o) 0,017		0,050 g/l	auf		1
	₂o 0,079		0,12 ml/1
	_Oo 0,041		0,12 ml/1
		Eisen-EDTA
		Dinatrium-EDTA
KFO₃	g/l	FeS0₄-7H₂0
MgSO₄*7H₂O	g/l	ITaOH (in)
CaCl₂.2H₂O	g/l	Wasser
KH₂PO₄	g/l
Spurenelemente	g/l
Eisen-EDTA	g/l
Spurenelemente
H₅BO₃
MnSO₄*H₂
ZnSO₄.7H
Mo0₃(85
CuSO₄.5H
CoCl₀·6Η

Anstelle von Kaliumnitrat können verschiedene andere Stickstoffverbindungen wie Ammoniumnitrat, Ammoniumchlorid oder Harnstoff angewandt werden· Wenn Ammoniumchlorid angewandt wird, muß der pH-Wert kontinuierlich neutral gestellt werden_a um eine übermäßige Säurebildung in der Kultur zu vermeiden.

Der Ausdruck Polysaccharid wird hier so verwendet, daß er eine Substanz bezeichnet, die mit Äthanol ausfällbar und nichtdialysierbar ist und die Anthron-Zucker-Reaktion ergibt. Bei den Beispielen wird die Viskosität mit einem geeichten Cannon-]?enske-

509823/0960

• - 9 - ■ . 1A-45 800

Viskosimeter gemessen und die Ergebnisse in Centistokes (cSt) angegeben. Die Viskosität der G-esamtkultur ist ungefähr gleich der Viskosität der abzentrifugierten zellfreien Flüssigkeit. Das Kulturwachstum wird mit einem Bausch & Lomb Spectronic 20 Colorimeter bei einer Wellenlänge von 690 nm bestimmt. Die Anzahl der Zellen und das Trockengewicht sind lineare Punktionen der optischen Dichte bis zu einer optischen Dichte von 1. Das Trockengewicht "wird direkt gemessen oder berechnet aus der Gleichung g/l = P.D. 690 j die empirisch entwickelt worden ist,

wobei g die Zellsubstanz in Gramm, 1 das Volumen der Algen und des Mediums in liter und O.D. 690 die optische Dichte bei 690 nm bedeuten.

Wenn die Zellen einer exponentiell wachsenden Kultur von Oblamydomonas mexicana durch Zentrifugieren isoliert werden, beträgt ihr Kohlenbydratgehalt ungefähr 35 $, bezogen auf das Trockengewicht der Zellen. Aufgrund der Zerbrechlichkeit dieser Zellen und der Neigung des Kapselmaterials sich abzustoßen ist es schwierig die Kohlenhydrate streng als extrazellulär zu klassifizieren. Es kann £doch allgemein gesagt werden, daß,wenn Kulturen das Ende des exponentiellen Wachstums erreichen₍ ungefähr 50 $> der Gesamtkohlenhydrate löslich und zellfrei sind (isoliert durch Zentrifugieren). 24 Stunden später sind bis zu 90 $ der Gesamtkohlenhydrate der Kultur löslich und ζellfrei„Ungefähr 90 % der löslichen zellfreien Kohlenhydrate werden durch zwei Volumina Äthanol ausgefällt; Wenn nicht anders angegeben, sind alle Kohlenhydratbestimmungen Bestimmungen an der ganzen Kultur.

Der Zellstickstoffgehalt wird nach Kjeldahl bestimmt (Standard Methods, 13· Ausgabe, 1971) in vegetativen oder frühen zygot-

.ischen Kulturen. In älteren Kulturen wird der Zellstickstoff berechnet, bezogen auf das Trockengewicht der Kultur und den AnfangsNitrat-stickstoff-Gehalt. Der Nitrat-stickstoff wird ebenfalls nach Standard Methoden (13. Ausgabe, 1971) bestimmt.

-10-

509823/0 960

- 10 - 1A-45 800

Beispiel 1

Die grüne Algenart Chlamydomonas mexicana, Stamm 729 (Indiana University Culture Collection) wurde unter aseptischen Bedingungen in 250 ml Erlenmyer-Kolben, enthaltend 50 ml steriles Medium das entsprechend Tabelle I hergestellt worden war, gegeben und inkubiert bis die optische Dichte bei 690 nm 0,5 ereichte (250 mg/1 Trockengewicht). Die gesamte Kultur wurde in einen 1 1 Erlenmyer-Kolben, enthaltend 500 ml des gleichen Mediums gegeben. Das Medium ermöglichte ein kontinuierliches exponentielles Wachstum ungefähr einen weiteren Tag lang, woraufhin der Zellstickstoff ungefähr 5 % betrug, wie später gezeigt wird. Durch die Kultur wurden konstant 5 % C in luft geleitet und die Lichtintensität betrug 500 fc· Es wurde kontinuierlich während der Dauer des Versuchs belichtet.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm, bei dem das Wachstum der Kultur, der Kohlenhydratgehalt,die Viskosität und der Flockungswert· als Punktion der Zeit angegeben sind. Der Flockungswert ist in diesem Beispiel ein Maß für die minimale Menge an aktivem Material die erforderlich ist, um die erste sichtbare Aggregation von Tonteilchen herbeizuführen und gibt ein Maß für die aktiven Materialien an durch Vergleich der niedrigsten erforderlichen Dosis zur Bildung einer sichtbaren Aggregation, Eine Suspension von Kaolin wird hergestellt mit einer mittleren Teilchengröße von nicht-ausflockendem Kaolin von 3,2 /um. Der mittlere Teilchendurchmesser von Kaolin bei der kleinsten Dosis, die eine sichtbare Aggregation ergibt, beträgt 20yum. Der Kehrwert des erforderlichen Volumens, das zu einem Teilchendurchmesser von 20 /um führt, wird als 1 bezeichnet und ist ein Maß für den ' cfeo

Flockungswert, Es wurde ein Anfangs-Stickstoffgehalt des Substrats von 25 mg/1 gewählt unter Berücksichtigung solcher wachstumsregulierender Faktoren wie der lichtintensität, COg und Temperatur. Dieser Substrat-Stickstoff führte zur Bildung von 250 mg Algen (Trockengewicht) mit einem Stickstoffgehalt von 10 $. Dieses Trockengewicht entspricht einer optischen Dichte (690 nm) von 0,5, die während der frühen exponentiellen Wachstumsphase auftritt,, Wie aus Tabelle II hervorgeht, wurde die Kultur ungefähr 10 Tage fortgesetzt.

—11 —

Un Nichtdichte 5382 lm/m²

509823/0960

	OD	2	- 11 -	1Α-45 800	10	6
	(690 nm)	. 1	Tabelle II		10	O
Tag		2	.Zellen/ml	Trockengewicht der	4,	9
	0,045	2		Zellen f	4,	2
	0,168	3		g/i · ^l	3,
O	1,08	1 χ 10^β	0,022	3,
ι	1,25	,5 x 10⁶	0,0840
2	1,29	,9 χ 10⁷	0,540
3	1,58	,5 χ 10⁷	0,620
7		,6 χ 10⁷	0,640
10		,1 χ 10⁷	0,790

Alle Messungen beruhen auf Bestimmungen in der gesamten Kultur mit Ausnahme des Trockengewichts der Zellen, das von abzentrifugierten Zellen erhalten worden ist, die während des exponentiellen Wachstums gebildet worden sind. Das Trockengewicht der Zellen aus Kulturen nach der exponentiellen Phase wurde aus der optischen Dichte nach der oben erwähnten empirischen Beziehung abgeschätzt·

Die in fig. 1 und Tabelle II angegebenen Daten zeigen, daß der Kohlenhydratgehalt,der flockungswert und die Yiskosität nicht parallel dem Kulturwachstum laufen, sondern nach Abnahme des Wachstums weiter zunehmen. Am Ende des exponentiellen Wachstums (OD 690 =1,0) ist der Zellstickstoff auf 5 % des Trockengewichts der Kultur gesunken. Diese Phase nach der exponentiellen Phase (beginnend mit dem zweiten Tag in dem Beispiel) ist die Bildungsphase des Flockungsmittels.

Die Beziehung zwischen flockungswert und Zellstickstoff ist in Fig. 2 angegeben. Aus dieser figur kann man sehen, daß im wesentlichen kein flockungsmittel gebildet wird bis der Zellstickstoff ungefähr 5 fo Trockengewicht erreicht. Man sieht, daß der flockungswert exponentiell ansteigt, wenn der Zeilstickstoffgehalt unter 5 i° sinkt.

-12-

509823/0960

- 12 - 1A-45 800

Die I¹Ig. 3 ist ein Diagramm₍ in dem der Kohletihydratgehalt pro Zelle gegen die Zeit aufgetragen ist. Aus dieser Figur geht hervor, daß die Menge an Kohlenhydraten (das heißt Flockungsmittel) pro Zelle zunimmt, indem die Zellteilung (Multiplikation) abnimmt (2. Tag) und 5 Tage später ein Maximum erreicht« So ist die Phase der schnellen Zellteilung deutlich getrennt von der Phase der maximalen Zell-Polysaccharid-Bildung*' Die Steigung der Bildungskurve des Flockungsmittels gibt die Geschwindigkeit der Bildung des Flockungsmittels an. Während der schnellen Zellteilung ist diese Geschwindigkeit weniger als 1/3 der Geschwindigkeit, die sich während der stationären Phase des Wachstums findet.

Beispiel 2

Zu Vergleichszweeken wurden zwei Plexiglas-Zylinder mit einem Durchmesser von 20,35 cm (8 inch), enthaltend 34 1 Nährmedium, mit Chlamydomonas mexicana aus Zwischenkolben beimpft, um eine anfangs optische Dichte von 0,1 bei 690 mn zu erhalten (50 mg/1). 5 io COp in luft wurden durch Belüftungssteine, die sich am Boden der Zylinder befanden, eingeleitet. Die Kultur A enthielt ungefähr 23 mg/1 Nitrat-Stickstoff und die Kultur B ungefähr 47 mg/1 Nitrat-Stickstoff. Die Zusammensetzung des Nährmediums war sonst mit dem oben angegebenen Medium identisch.

Das' Nährmediunu der Kultur B war um das Zweifache konzentrierter als die Kultur A. Das Kulturwachstum wurde durch Messung der optischen Dichte und Viskosität, wie in Fig. 4 angegeben, bestimmt. Die Kultur A zeigte die charakteristische Phase des exponentiellen Wachstums und anschließend die Phase der Bildung des Flockungsmittels, wie durch die Zunahme der Viskosität angegeben ist. Die Kultur B zeigte jedoch nur die Phase des exponentiellen Wachstums. Die Kultur^ erreichte einen Zell-Stickstoffgehalt von 5 $ Trockengewicht nach 50 h, während die Kultur B über 100 h einen Zell-Stickstoffgehalt von 10 % behielt.

-13-509823/0960

- Ί3 - 1A-45 800 '

Beispiel 3

Dieses Beispiel zeigt die Anwendung eines Kultursystems, das für das erfindungsgemäße Verfahren gut geeignet ist, und wie die Steuerung des Stickstoffgehalts angewandt werden kann, um flockungsmittel von Algen in großem Maßstab mit Hilfe von halbkontinuierlichen Verfahren zu erzeugen. Das aus einem solchen System erhaltene !Flockungsmittel eignet sich zur direkten Anwendung, obwohl es gegebenenfalls weiter konzentriert werden kann. ■

Die angewandten Kulturgefäße, von denen 1 als 4 in 5¹Ig. 5 angegeben ist, bestanden aus 2 rechteckigen Glasgefäßen mit einem Fassungsvermögen von je 160 1. Die Kulturgefäße 4 wurden kontinuierlich mit Fluorescenz-Licht von allen 4 Seiten her mit Lampen 1,2 und 5 bestrahlt und einer 4. Lampe, die nicht mit dargestellt ist. Durch das Kulturmedium wurde kontinuierlich 5 % CO₂ aus dem Zylinder 11 über das Ventil 10 und das Durchfluß-Meßgerät 6 eingeleitet. Luft wurde mit Hilfe des Kompressors 8 über das Ventil 9 und das Durchfluß-Meßgerät 7 eingeleitet. Luft und CO₂ traten durch Luftverteiler ('air stones 13) in das Gefäß ein, an denen einer in Pig. 5a angegeben ist. Die Temperatur wurde auf 25⁰C gehalten mit Hilfe eines Zirkulationssystems, umfassend eine Pumpe 14, einen Wärmeaustauscher 15 und ein Gebläse 12* Das erste Kulturgefäß I dienteals vegetative Wachstumskammer, während das zweite Gefäß zur Bildung des Flockungsmittels dient. Zu Beginn würfe das erste Gefäß mit der Kultur (Chlamydomonas mexicana) in 80 1 des wässrigen Mediums nach Tabelle I, enthaltend 25 g/l ΪΓ beimpft» Dieser Stickstoffgehalt führt zu einer Algendichte von 250 mg/1 mit 10 fo Stickstoff,.bezogen auf das Gewicht der vegetativen Zellen (OD 690 = 0,5). Wenn innersten Gefäß diese Dichte erreicht wird, wird ein Teil seines Inhalts ₍ vorzugsweise ungefähr die Hälfte des Volumens in das zweite Gefäß überführt. Das Gefäß 1 wird dann mit Hährmedium ( 25 mg/1 N) auf das ursprüngliche Volumen gebracht. Zu dem Gefäß 2 wird ein gleiches Volumen Wasser gegeben. Man läßt den Inhalt beider Gefäße zu einer optischen Dichte von ungefähr 0,5 wachsen,entsprechend Zellen mit einem Stickstoffgehalt von 10 % in Gefäß 1 und weniger als 5 $> in Gefäß 2.

509823/0960 ~¹⁴~

- 14 - 1A-45 800

Das Flockungsmittel sammelt sich in Gefäß 2 an. Der Inhalt kann entfernt und wie er ist angewandt werden oder nachdem die Zellen durch Zentrifugieren abgetrennt worden sind. Das System ist schematisch in dem Fließschema der Pig.6 angegeben und kann alle 2 bis 3 Tage - wie oben beschrieben - behandelt werden.

Wie aus. Beispiel 1 hervorgeht besteht ein anderes Verfahrea zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, daß man die Züchtung unter Bedingungen, bei denen das Flockungsmittel gebil det wird, in dem gleichen Gefäß durchführt, in dem das vegetative Wachstum stattfindet. Die Bildung von extrazellulären Polymeren von Chlamydomonas mexicana konnte auch in der freien Luft in flachen Becken mit einem Durchmesser von 3,66 m (12 foot) durchgeführt werden, in die COp angereicherte Luft geleitet wurde. Es ist günstig, daß der Inhalt der Tümpel bzw. Becken heftig bewegt wird, um eine Sedimentation der Algen zu vermeiden. Es können Viskositäten ähnlich den in Beispiel 3 erhaltenen unter geeigneten Licht- und Temperaturbedingungen erreicht werden, wenn der Nährstoffgehalt wie oben angegeben eingestellt wird.

Es ist wichtig, daß angemessene Mengen an anderen Nährstoffen neben Stickstoff in der Nährlösung aufrechterhalten werden, um das Wachstum zu unterstützen. Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens muß der Phosphorgehalt hoch genug sein, um für das exponentielle Wachstum auszureichen. Wenn die ZeIl-Phosphorgehalte zu niedrig sind, kann das Wachstum durch den Mangel an Phosphor begrenzt werden, was dazu führt, daß der Zellstickstoff nie unter die Menge fällt, die erforderlich ist zu einer deutlichen Bildung von Flockungsmittel. Die erforderliche Phosphormenge für ein gesundes Zellwachstum ist für den Fachmann allgemein klar. Sofern bezüglich einer speziellen Art Unklarheiten bestehen, können die erforderlichen Phosphormengen durch einfache Versuche festgestellt werden.

-15-

50982 3/0960

- 15 - 1A-45 800

Die für die Viskosität,die Anthron-Zucker-Reaktion sowie die Pockungsaktivität verantwortlichenSubstanzen von Chlamydomonas mexieana Kulturen sind mit Äthanol ausfällbar und nichtdialysierbar und werden daher als hoch-molekulare Polymere angesehen»

Beispiel 4

Ein bei mittlerer Temperatur wachsender Stamm von Chlorella pyrenoidosa (343) wurde von der University of Indiana Algenkollektion erhalten. Die Kulturen wurden in Fernbach-Kolben unter kontinuierlicher Belüftung und Belichtung mit weißem Licht mit einer Leuchtdichte von 0,43 Im/cm (400 fc intensity) bestraht. Es wurde ein Nährmedium der folgenden Zusammensetzung angewandt.

Verbindung g/l Mikronährstoffe g/l

CaGl₂-H₂O	0,016	H₃BO₅	2,86
MgS0₄-7H₂0	0,250	MnCl₂-4H₂0	1,81
KNO₃	0,300	ZnSO₄-H₂O	0,22
K₂HPO.	0,030	MbO₅	0,017
NaHCO₅	0,020	CuS0₄-5H₂0	0,079
Eisen(EDTA)	0,005	CoCl₂-6H₂0	0,041
Mikronährstoffe	1 ml/1
Destilliertes Wasser	1 1

Die Bildung des Flockungsmittels durch Chorella pyrenoidosa wurde unter zwei verschiedenen Bedingungen untersucht. Der Kultur I stand ausreichend Stickstoff und Phosphor zur Verfugung, um am 11. Tag einen Zellstickstoff-und Phosphorgehalt von 5,1 bzw. 0,58 fp zu bilden. Die Kultur II enthielt den gleichen Stickstoffgehalt wie die Kultur I aber weniger Phosphor. In Pig. 7 ist ein Diagramm angegeben, bei dem die Plockungswerte gegen die Zeit aufgetragen sind.

-16-

509823/0960

- 16 ■- 1A-45 800

Bei der Bestimmung der Flockung wurde das folgende Verfahren angewandt: Es wurde eine Kaolinlösung und Verdünnungslösungen hergestellt der folgenden Zusammensetzung:

Kaolin-Suspension 0,1 g/l MgSO,-7H₂O

0,1 g/l UaCl 0,1 IaHCO₅ 0,15 g/l CaCl₂*2H₂0 0,2 g/l Kaolin (Fisher) eingestellt auf 7 mit HCl Suspension vor der Verwendung 2 Tage gerührt

Verdünnungsmittel 0,1 g/l MgSO,-7

0,1 g/l NaCl 0,1 g/l NaHCO₅ 0,15 g/l CaCl₂-2H₂0 pH 8,6

Eisenlösung 1,7 g/l FeCl₂-4H₂0

Die Flockungsversuche wurden in 12 Bechergläsern, enthaltend Jeweils 28 M^^itn-Suspension, durchgeführt. Hi^dWn^i)%nsion wurde hergestellt durch Zusammengeben von 240 ml Kaolin-Suspension und 160 ml Verdünnungsmitte. 0,04 ml der Eisenlösung wurden zugegeben und das Gemisch 30 min gerührt (OD 600 =0,25, pH = 7,6). 28 ml des Kaolin-Gemisches wurden in 50 ml Bechergläser gegeben. Das Flockungsmittel wurde in jedes Becherglas gegeben und 30 s schnell gerührt in 30 s Intervallen. Nach der Zugabe wurden die Bechergläser 1 h mit 30 TJpM gerührt. In Intervallen von 30 s wurde der Inhalt der Bechergläser leicht bewegt und 6 ml in Cuvetten gegeben. Mach 30 min langem Absetzen wurde die OD (600 mn) jeder Cuvette in Intervallen von 30 s abgelesen. Ein Vergleichsversuch wurde für jedes der 6 Bechergläser durchgeführt. Eine ODg₀O ^von °»²^ entspricht einer Kaolinkonzentration von 120/Ug/ml. Das 28 ml Volumen enthielt daher 3360/um Kaolin. Vergleichscuvetten besaßen üblicherweise eine DD ^₀₀ von 0,18, entsprechend 2420 ue%. Kaolin. Eine 60$ige Reduktion der relativen optischen Dichte entspricht daher einer Ausflockung von 1450 /Ug Kaolin.

603823/0960 ~¹⁷~

- 17 - 1A-45 800

Obwohl in Fig· 7 beide Kulturen ein identisches Wachstum zeigten, zeigte nur die Kultur I eine deutliche iLockungsaktivität. Der maximale Flockungswert (Kultur I) trat am 11. Tage auf und zu dieser Zeit hatten Kultur I und II einen ähnlich Zellstickstoff gehalt (5,4 bzw. 4,5 fo)t aber unterschieden sich deutlich in ihrem Gehalt an Zellphosphor (0,58 bzw. 0,21 %)».Es hat sich gezeigt, daß der ungewöhnlich niedrige Phosphorgehalt bei Kultur II zusammenhängt mit dem Fehlen der Flockungsaktivität. Da es sich zeigte, daß die Kultur II zwei bis dreimal mehr dialysierbare (nieder-molekulare) Saccharide enthielt als die Kultur I wird angenommen, daß ein niedriger Zellphosphorgehalt zur Depolymerisierung von Polysacchariden oder zur Bemmung ihrer Bildung führt.

Unter bestimmten Umständen wurde beobachtet, daß Chlorella-Zellen, die nicht genügend Phosphor enthalten, zur Bildung von Flockungsmitteln angeregt werden können. Es ist bekannt, daß eine aktiv wachsende Population von Chlorella hauptsächlich aus D oder "dunklen" Zellen besteht, die dadurch gekennzeichnet sind, daß sie klein sind aber eine starke.photosynthetische und geringe Atmungsaktivität besitzen. Wenn D-Zellen in ein Medium übergeführt werden, das nicht genügend Stickstoff enthält, können sie in L-Zellen übergehen die wieder geteilt werden können. Diese L oder "hellen" Zellen sind etwas größer als die D-Zellen, besitzen eine geringe photosynthetische und hohe Atmungsaktivität. Zum Vergleich besitzen diese Zellen ein mitt-

•"11
leres Gewicht von 6 χ 10 g/Zelle, verglichen mit dem Gewicht

der dunklen Zellen, das im Mittel 2 χ 10~¹¹g/Zelle beträgt. Bei geringen Phosphorgehalten, das heißt unter ungefähr 0,3 fo Trockengewicht, wurde beobachtet, daß die L-Zellen manchmal zu einer Flockungsaktivität führen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß vom Standpunkt einer möglichst hohen Produktivität Phosphorgehalte von ungefähr 0,3 fo Trockengewicht und vorzugsweise mehr als ungefähr 0,5 i° Trockengewicht aufrechterhalten werden sollten.

-18-

509823/0980

1A-45 800 Beispiel 5

Um die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Flockungsmittel im Vergleich mit einem Polystyrolsulfonat-Flockungsmittel zu zeigen, wurden Filtergeschwindigkeiten durch Filterkuchen nach dem folgenden Verfahren gemessen, das aus zwei Stufen bestand:

1.) Dispersion des Flockungsmittels in der Kaolin-Suspension

und
2.) Filtration der Flüssigkeit durch den Ton.

Stufe 1 Ein Schiffsschraubenrührer mit zwei Blättern wurde angewandt, um das Flockungsmittel mechanisch mit dem kolloidalen Ton Kaolin zu vermischen. Es wurde eine konstante Mischgeschwindigkeit erreicht, indem man einen Tachometer an dem Rührerschaft befestigte. Die Rührzeit und Geschwindigkeit wurden für jede Dosis des Flockungsmittels konstant gehalten.

Stufe 2 Die in Beispiel 1 erhaltenen Flockungsmittel oder Polystyrolsulf onat wurden unter mechanischem Rühren zu einer Kaolin-Suspension mit einer Tonkonzentration von 1 g/100 ml zugetropft. Die Konzentration der Lösung des Flockungsmittels betrug 0,1 g/l (0,01 io) bis 1 g/l (0,1 <?o). Die Endvolumina der Flockungsmittel-Ton-Suspensionen wurden konstant gehalten.

Gemessene Parameter.für die Mischstufe sind:

M = Geschwindigkeit des Schafts ^s in UpM (konstant)

M-j- = Gesamtmisch ze it (konstant)

D = Dosis des Flockungsmittels in ml ⁵ (unabhängig variabel'

C = Konzentration der Flockungslösung ^p (konstant)

D^ = ml Ausgangs-Kaolin-Suspension (konstant)

C-^ = Konzentration der Ausgangs-Kaolin-Suspension in mg/1 (konstant)

V_m = Endvolumen nach dem Mischen {konstant) 50 9.8 23/0960 -19-

- Λ9 - 1A-45 800

Die Filtrationsvorrichtung bestand aus einem Büchner-Trichter mit einem Durchmesser von 47 mni und einer Höhe von 50 mm mit Hähnen am unteren Auslaßende um die Zeit zu steuern. Es wurde ein Glasfilter mit einer Porengröße von weniger als 2 um angewandt· Die das Filtrat aufnehmenden Erlenmyer-Kolben waren mit einem Ansaugrohr mit Verzweigungen verbunden, von dem vorher festgestellt worden war, daß es ein- gleiches Vakuum an jeder Öffnung erzeugt. Eine kleine Vakuumpumpe und ein Quecksilbermanometer wurden angewandt, um das Vakuum zu erzeugen und zu überwachen·

Die gemischte Flockungsmittel-Kaolin-Suspension wurde aus den Bechergläsern auf den Trichter gegeben, die unter Vakuum gehalten wurden, um das Filterpapier an den Boden des Trichters zu pressen. Die Hähne waren geschlossen und man ließ die Suspension absetzen. Das Absetzen und die Klarheit der überstehenden Flüssig Ice it wurden notiert. Die Suspensionen wurden filtriert und dann erneut filtriert. Die beim zweiten Filtrieren mit konstantem Vakuum innerhalb einer konstanten Zeit gesammelten Volumina wurden gemessen. Das Maß für die Filtration wurde berechnet als Verhältnis der Refiltrationsgeschwindigkeit der Vergleichsprobe zu der Refiltrationsgeschwindigkeit der Probe i.

f = Refiltrationsgeschwindigkeit der yergleiehsprobe=V-R> /~ Refiltrationsgeschwindigkeit der Probe i ,

i = Floekungsmittel-Kaolin-Suspension die gemessenen Parameter waren:

P = Vakuum in cm Hg (inches H)(konstant) *V= Anfangs-Filtrations-Volumen (konstant) 3?Φ = Refiltrationszeit (konstant)

Vj_1-= nach der Refiltration gesammeltes Volumen i (abhängig variabel.)

Tr_n ⁼ nach der Refiltration gesammeltes Volumen ^c Vergleich (konstant)

* wenn V 100 ml über-.'schritt wurde die Differenz von der überstehenden Flüssigkeit weggelassen.

.50382 3/0960

- 20 - 1A-45 800

Die Pig. 8 ist ein Diagramm, bei dem die Piltrationsgeschwindigkeit gegen die Teile Polymer pro 1 Million Teile Kaolin aufgetragen ist. Es wurde ein Polystyrolsulfonat mit einem Molekulargewicht von 8 Millionen und ein Algenflockungsmittel von Chlamydomonas mexicana, die wie angegeben, gezüchtet worden ist, verglichene Beide Polymeren oder Flockungsmittel reagierten mit dem Ton in einem Verhältnis von Polymer : Ton von 1 : 5000 (1 bis 5000).

Beispiel 6

Wie oben angegeben, sind die von Chlamydomonas mexicana erzeugten Flockungsmittel wirksam als Hilfe für die Koagulation von Feststoffen in Abwasser. Speziell hat sich gezeigt, daß die Anwendung von Algen-Flockungsmitteln in Verbindung mit Kalk zur Bildung größerer dichterer und dadurch schneller absetzender Flocken führt als es mit Kalk allein erreicht wird. Die erforderliche Kalkmenge scheint durch das Algen-Flockungsmittel geringer zu werden. In einem Beispiel wurde gesiebtes Abwasser von "the Deer Island Sewage Treatment Plant in Boston, Massachusetts" mit Kalk und Kalk-Algen-Flockungsmittel zum Ausflocken gebracht, wobei das in Beispiel 4 beschriebene Flockungsverfahren (jar test flocculation procedure) angewandt wurde. Die entsprechend Beispiel 1 hergestellten Flockungsmittel wurden unter schnellem Mischen langsam zugegeben und eine weitere Minute in den Bechergläsern gerührt. Die Bechergläser wurden dann auf eine Phipps und Bird Rührmaschine gestellt und 5 Minuten mit 6 UpM und zum Schluß 30 Minuten mit 20 UpM gerührt. Nach den 30 Minuten wurde die Absetzgeschwindigkeit notiert, die erforderlich war, um 95 % des überstehenden Volumens klarzumachen.

Kalk wurde in einer Aufschlämmung mit 10 g/l und in einer ausreichenden Menge zugegeben₍ um den gewünschten pH-Wert zu erreichen. 1 ml Chlamydomonas mexicana Flockungsmittel wurde entsprechend Beispiel 3 hergestellt (5 g/l, Viskosität 3 cSt) und zu je 1 1 Abwasser zugegeben.

-21-

509823/0960

-21 - 1A-45 800

Die Wirkung des Algen-Flockungsmittels und Kalk, verglichen mit Kalk allein, ist in Tabelle III angegeben. Die Kalkmengen, die erforderlich sind, um einen pH-Wert von 10, 10,5 und 11 zu erzeugen, wurden verglichen. Der Kalk und das Algen-Flockungsmittel führten dazu, daß das ausgeflockte Abwasser sich zehnmal schneller absetzte als mit Kalk allein bei einem pH-Wert von 10 und 10,5· Bei einem pH-Wert von 11 wurde kein Unterschied beobachtet, obwohl Kalk und Algen-Flockungsmittel eine größere Flockengröße ergaben.

Tabelle III

pH Verhältnis der Absetzzeiten (min)

Kalk/Kalk + Algen-Flockungsmittel

10,	0
10,	5
11,	0
Beispiele

10/1 10/1

1/1

7 und 8

Polymere Substanzen wie Polyacrylamide, bakterielle Polysacharide und Alginsäuren verbessern die Bodenstruktur durch Bildung wasserstabiler Aggregate die wieder den Wasserdurchfluß und die Luftdurchdringung durch den Boden verbessern. Die folgenden Beispiele zeigen die Verbesserung von westlichen kalkhaltigen Böden.

Beispiel 8 zeigt die Bildung wasserstabiler Aggregate die auftritt, wenn Chlamydomonas Flockungsmittel mit Boden in verhältnismäßig großen Mengen vermischt wird. Beispiel 7 zeigt die Wirkung von verhältnismäßig geringen Dosen Ghlamydomonas Flockungsmittel auf Böden unter natürlichen Bedingungen.

Bei Durchführung des Beispiels 7 wurde ein kalkhaltiger Boden (20 % Ton, 53 % Schlamm und 27 % Sand) durch ein 1 mm Sieb gegeben um Teilchen mit einer Größe von mehr als 1 mm zu entfernen.

- 22 -

509823/09 6 0

1A-45 800

Es wurden 50 g Anteile des gesiebten Bodens mit Algen-Kulturen mit Flockungsaktivität vermischt. Das Verhältnis der Trockengewichte der Kultur zu dem· Boden betrug 1:1000, 1:2500 und 1:5000. Zum Vergleich wurde auch Algen-freies Kulturmedium mit dem Boden vermischt. Das Vermischen wurde 5 min mit einem Spate'l durchgeführt. .Die Proben wurden bei 50⁰G auf einen Feuchtigkeitsgehalt von ungefähr 10 fo getrocknet. Dieser feuchte Boden wurde durch ein 2 mm Sieb gegeben und die. künstlich entstanden Aggregate, die größer als 1 mm waren, wurden zur Untersuchung der Stabilität der Aggregate angewandt·

Aggregate von weniger als 2 mm und mehr als 1 mm Größe wurden bei Raumtemperatur getrocknet und naß durch direktes atmosphärisches Eintauchen 10 min lang gesiebt.(Method of Soil Analysis Agronomy Monograph Nr. 9,Teil I, Seiten 511-519.)· Der Siebsatz bestand aus 1, 0,5, 0,25, 0,1 und 0,05 mm Sieben. Das Trockengewicht des auf jedem Sieb zurückbleibenden Bodens wurde bestimmt. Man erhielt die folgenden Ergebnisse:

Tabelle IV

(0,1 io Gemisch)
(0,04 # " )
(0,02 io » )

Verhältnis von °/ Chlamydomonas-Flockungsmittel >0,1 mm zu Boden (w/w)

1:1000 1:2500 1:5000 Vergleich

zurückgehalten ^0,25 mm =

-1 ΤΠΤΠ

96	74	60
96	84	41
58	24	11
37	25 .	13

Die Ergebnisse zeigen, daß nahezu 5 mal mehr Boden auf dem 1 mm Sieb zurückgehalten wird bei einer Dosis von 0,1 $ Flockungsmittel im Boden als bei dem nicht-behandelten Boden. Bei der mittleren Dosis von Flockungsmittel : Boden von 1:2500 werden 3 mal mehr wasserstabile Aggregate auf dem 1 mm Sieb zurückge-

509823/0960

-23-

- 23 - 1A-45 800

halten, verglichen mit dem nicht-behandelten Boden. 64 i° mehr Boden werden auf allen größeren Sieben als 0,1 mm bei der geringen Menge an Flockungsmittel, verglichen mit dem nicht-behandelten Boden, zurückgehalten»

In Beispiel 8 wurden drei Böden von je 7,53 m²:(81 ft²) folgendermaßen behandelt:

a) Vergleich (Wasser)

b) Chalmydomonas Flockungsmittel 14,0 kg/ha (12,5 lb/acre)

c) " " 56,1 kg/ha (50 lg/acre)

d) » " 224,4 kg/ha (200 lb/acre)

Das Flockungsmittel wurde entsprechend Beispiel 1 hergestellt. Die Mengen wurden in Kilogramm !Trockengewicht gemessen.

242,24 1 (64 gallons) jedes Behandlungsgemisches wurden auf jede Fläche aufgebracht. Die Flächen wurden dann bis zu einer Tiefe von 21,24 cm (6 inch) umgegraben (rototilled) nachdem der Boden einen solchen Feuchtigkeitsgrad erreicht hatte, daß er bearbeitbar war« Die Änderungen der Bodenstruktur wurden durch die folgenden Messungen bestimmt: Naßsieben,Infiltration und JSindring-Widerstand.

Die Fig. 9 zeigt ein Diagramm bei dem die drei Messungen gegen die angewandte Menge Algen-Flockungsmittel aufgetragen sind. Alle Werte sind das Mittel aus 3 Wiederholungen. In der :■■:.·:.,gerechten (Dosis) wurde zur deutlicheren Illustration ein Maßstab von 1:8 gewählt, so daß die Daten eine gerade Linie ergeben. Die Fig_o 9a zeigt die Wirkung unterschiedlicher'Mengen an Flockungsmittel auf die Eindringgeschwindigkeit von Wasser, gemessen 8 h in 2,54 cm Tiefe_o Die Ergebnisse zeigen eine 100 folge Zunahme der Eindringgeschwindigkeit in behandelte Böden, verglichen mit nicht-behandelten Böden. Ein Einfluß der Menge geht auch aus der positiven Steigung der Kurve hervor. Die Daten sind deutlich bei 75 %·

-24-509823/0360

- 24 - 1A-45 800

Die Wirkung des Algen-Flockungsmittels auf die Durchdringungsbestandigteit ist in Pig, 9b angegeben. Dieser Parameter ist ein Maß für die Kraft die erforderlich ist, um einen konisch verlaufenden Prüfstab 10,16 cm (4 inch) in den Boden zu stoßen. Eine mehr als 50$ige Abnahme dieses Eindringwiderstands tritt auf als Ergebnis der Behandlung mit dem Flockungsmittel. Der Einfluß der angewandten Menge geht aus der (negativen) Steigung der Kurve hervor« Die Daten sind deutlich bei 90 $.

Die in Pig. 9c angegebenen Ergebnisse zeigen eine Zunahme der mittleren Teilchengröße der mit !Flockungsmittel behandelten Bodenproben, wie sie sich beim Faßsieben ergibt. Eine 15$ige Zunahme der mittleren Teilchengröße tritt nach der Behandlung mit 224,4 kg/ha auf. Deutlicher geht die Einwirkung der angewandten Menge des !Flockungsmittels aus der positiven Steigung der Kurve hervor. Die Daten sind deutlich bei 97» 5 $>·

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren allgemein anwendbar ist auf die Bildung von Flockungsmitteln aus Algen ist besonders günstig zur Erzeugung von Flockungsmitteln aus einzelligen grünen und keinen Stickstoff bindenden blau-grünen Algen, die normalerweise im Boden unl frischem Wasser vorkommen. Die Auswahl der speziellen für die erfindungsgemäßen Zwecke geeigneten Algen beruht in erster Linie auf einer Bewertung ihrer potentiellen Massenkultur. Die Wachstumsgeschwindigkeit sollte vorzugsweise bei einem Minimum von einer Verdopplung pro Tag liegen. Wenn eine Erfolg-versprechende Art ausgewählt worden ist, wird die Kultur unter Bedingungen durchgeführt, bei denen die Stickstoffmenge begrenzt wird, so daß die Zellen Stickstoffmangel erleiden, das heißt, daß weniger als 5 Gew«-$ Zellstickstoff zusammen mit anderen Nährstoffen für das Wachstum zur Verfügung stehen. Während dieses Prozesses wird die Bildung von extrazellulären Flockungsmittel^ wie oben beschrieben, überwacht und unter den Bedingungen der stärksten Bildung von Flockungsmittel gearbeitet.

Patentansprüche 6243 503823/0980

Claims

Pateataasprüche

j)i Verfahren zur Erzeugung von Biopolymeren,die 3?lockungsaktivität besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß man Algen in Gegenwart von Licht und Kohlendioxid in einem für das Wachstum geeigneten Nährmedium züchtet bis eine gewünschte Populationsdichte erreicht ist und anschließend den zur Verfügung stehenden Stickstoff in dem Kulturmedium begrenzt und ausreichend Phosphor zur Verfugung stellt, so daß der Stickstoffgehalt der Zellen unter ungefähr 5 # sinkt und anschließend das aktive Flockungsmittel von dem Kulturmedium abzieht*
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man die Algen aus der Gruppe der einzelligen grünen und keinen Stickstoff-bindenden blau-grünen Algen auswählt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Algen solche der Art Chlorella verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Medium soviel Phosphor zufügt, daß der Zellphosphor oberhalb ungefähr 0,5v% gehalten wird.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Algen solche der Art Chlamydomonas verwendet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man Chlamydomonas mexicana verwendet,

509823/0960

ORIGINAL INSPECTED

1A-45 800

7β Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man kontinuierlich belichtet, während die Algen in dem Medium mit begrenztem Stickstoffgehalt wachsen,

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß man die Algen in einem wässrigen Stickstoff-reichen Nährmedium züchtet bis die gewünschte Dichte erreicht ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Algen bis zurErreichung der gewünschten Dichte unter Bedingungen züchtet, die ein optimales "Wachstum ermöglichen und anschließend Stickstoff abzieht, während man Licht, COp und andere Nährstoffe in ausreichender Menge zur Verfugung stellt,

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Algen zunächst in einem wässrigen Nährmedium, züchtet, wo sie ein exponentielles Wachstum zeigen^ und,wenn die gewünschte Dichte erreicht ist, einen Teil der Algen und des Nährmediums in ein 2. Gefäß überführt ,dort soviel Wasser zugibt wie dem Volumen der Algen und der Nährmedium entspricht und dadurch den prozentualen Gehalt an Stickstoff in dem Medium herabsetzt und die Algen in dem 2. Medium weiterzüchtet bis die gewünschte Dichte erreicht ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Algen in dem 2. Gefäß im wesentlichen kontinuierlich belichtet,

12. Anwendung der erfindungsgemäß hergestellten Biopolymere zusammen mit Kalk zum Ausflocken von Feststoffen in Abwasser,

509823/0980

Leerseite