DE2556290A1 - Verfahren und anordnung zur optimalen versorgung autotropher organismen - Google Patents
Verfahren und anordnung zur optimalen versorgung autotropher organismenInfo
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Description
Verfahren und Anordnung zur optimalen Versorgung autotropher
Organismen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum
Durchführen des Verfahrens zur optimalen Versorgung autotropher
Oranismen mit Kohlendioxid als Nährstoff, wobei der Bedarf an Nährstoff in Abhängigkeit vom Wachstum und damit vom Lichteinfall,
der Temperatur und der Organismendichte schwankt.
In allen Kulturen photoautotropher Organismen muß Kohlendioxid als Hauptnährstoff zugeführt werden . Das Kohlendioxid bildet durch
Anlagerung an Wasser Kohlensäure, die wiederum in hydratisierte H -Ionen und HCO-j-Ionen dissoziiert. Jeder Eintrag von CO- in
wässrige Systeme vom leicht sauren bis alkalischen Bereich, wie z.B. Nährlösungen für Algen, ist daher mit einer pH-Senkung verbunden.
Umgekehrt führt jede Entnahme von CO bzw. H3CO3 oder HCO3"
zu einer pH-Erhöhung. Die Menge des von den Organismen zu einem
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bestimmten Zeitpunkt benötigten CO_ ist von mehreren Faktoren
(hauptsächlich Licht, Temperatur, Organismendichte) abhängig und unter Umständen, besonders unter Freilandbedingungen, beträchtlichen
Schwankungen unterworfen.
Eine stets wirtschaftlich und für das Wachstum unter wechselnden Bedingungen jeweils günstige Dosierung von CO? ist zwar versucht,
bei konventionellen Eintragungssystemen jedoch nicht erreicht worden. Diese bekannten Systeme (siehe zusammenfassenden Bericht
der Deutschen Botanischen Gesellschaft Bd. 83, Heft 11 (1970), S. 589 - 606) tragen das für das Wachstum der Mikroorganismen,
z.B. der Algen, wichtige CO2 entweder intermittierend mittels
Diffusionskästen oder konstant und gleichmäßig über Bypass-Gasaustauscher ein. Das erstere System (nach Meffert) hat zwar den
Vorteil einer hohen Ausnutzung von CO«, dabei aber die Nachteile, daß der Arbeitsaufwand zum Befallen mit CO2 hoch ist, eine schlechte
Reinigungsmöglichkeit der nach oben geschlossenen Kästen gegeben, der Strömungswiderstand hoch und die Flächenausbeuten bzw. das
Algenwachstum relativ gering aufgrund unzureichender CO2-Versorgung
sind. Jede Art einer konstanten, gleichmäßigen CO2~Zufuhr hat
den Nachteil, den nach dem jeweils herrschenden und im Tagesgang grundsätzlich schwankenden Lichtbedingungen nicht optimal angepaßt
zu sein, so daß über weite Zeiträume entweder ein COo-Mangel oder
aber C02~ftberangebot besteht.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nunmehr darin, in offenen Gerinnen kultivierte Mikroorganismen, insbesondere
Algen, bei minimaler Wartung störungsfrei entsprechend ihrem jeweiligen Bedarf, d.h. in direkter Abhängigkeit von der unter
Tageslicht ablaufenden Photosynthese, vollautomatisch mit CO2
zu versorgen, wobei die C0~-Ausnutzung, das Verhältnis von eingetragenem
CO2 zu von den Algen aufgenommenem CO2,- größtmöglich,
der Lichteinfall ebenfalls größtmöglich, der Strömungswiderstand im Gerinne verhältnismäßig gering und eine gezielte Regulierung
des Gasaustauschs möglich sein soll.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht das erfindungsgemäße Verfahren
vor, daß der CCX^-Eintrag in das Kulturgerinne mit den Organismen
mit- im Gerinne kontinuierlich gemessenem pH-Wert gesteuert wird.
Die erfindungsgemäße Anordnung zum Durchführen des Verfahrens ist gekennzeichnet durch ein Gerinne, in dem eine Algensuspension
in einer Richtung bewegbar ist, durch in Abständen angebrachte Ausströmvorrichtungen für CO3-GaS im Gerinne, durch mindestens
eine in die AIgensuspension eingetauchte pH-Meßstelle und durch
einen Schaltkreis zur Betätigung von Steuerorganen für den CO^-Eintrag gemäß den von der pH-Meßstelle gelieferten Meßwerten.
Eine Weiterführung der erfindungsgemäßen Anordnung sieht zur
besseren Ausnutzung des austretenden CO2-GaSeS vor, daß parallel
zur Strömungsrichtung der Algensuspension über und nach dem oder den Ausströmern lichtdurchlässige, aber gasundurchlässige
Sperrschichten angebracht sind. Die Sperrschichten können hierbei in vorteilhafter Weise von Folien oder Kunststoff-bzw. Glasplatten
gebildet sein, die unterhalb der Oberfläche der Algensuspension im Gerinne mittels Halterungen befestigt sind. Die Höhe der
Folien bzw. Platten kann in Bezug auf die Gerinnoberfläche verstellbar sein.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung wird die
Algensuspension von Schaufelrädern in Bewegung gehalten und die Steuerorgane sind von Magnetventilen gebildet, die über ein
Relais im Schaltkreis der pH-Meßstelle gesteuert werden.
Dieses erfindungsgemäße System ermöglicht nun, eine stets genau der assimilatorischen CO2-Aufnahme durch die Organismen entsprechende
Dosierung zu gewährleisten, wobei selbst unterschiedliche CO.-Verluste an die Atmosphäre automatisch mit berücksichtigt
werden. Der CO2-Eintrag mit reinem, hundertprozentigem Kohlendioxidgas
wird gesteuert über ein pH-statisches Regelsystem. Den im offenen Kulturgerinne angebrachten Ausströmern für das
CO3-GaS sind an der Oberfläche treibende oder nach Bedarf mehr
oder weniger tief untergetaucht treibende Schwimmfolien oder
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feste Kunststoff- oder Glasplatten nachgeschältet, so daß das in das Kulturmedium austretende CO nicht sofort an die
Wasseroberfläche aufsteigen und damit erheblich an die Atmosphäre entweichen kann, sondern unter der Sperrschicht gehalten
und so zu einer wesentlich gesteigerten Kontaktzeit mit dem Medium gezwungen wird. Der pH-Wert ist demnach in einem physiologisch
neutralen Medium, d.h. in einem Medium ohne wesentliche pH-Änderungen aufgrund weiterer Nährstoffentnahme, besonders bei
verschiedenen Stickstoffquellen, wie es bestimmte Algennährlösungen
darstellen, eine zur Steuerung der C0„-Zufuhr geeignete
Größe.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
mittels der Figuren 1 bis 3 und den in den Figuren 4 bis 10 aufgezeigten Diagrammen näher erläutert.
Die Figur 1 zeigt hierbei einen Längsschnitt durch ein Gerinne, Figur 2 einen Querschnitt und
Figur 3 ein Schema des Regel- bzw. Steuerkreises.
Die Figuren 4 bis 7 stellen Diagramme und die Figuren 8 bis 10 Meßaufnahmen an bestimmten Tagen dar.
In der Figur 1 ist der Längsschnitt eines offenen Gerinnes 1 nach der Art des aus der Abwasserpraxis bekannten Oxidationsgrabens
mit Gerinneboden.. 2 und Rand3 des Gerinnes dargestellt. Innerhalb
des Gerinnes wird eine Algensuspension 4 mittels schematisch dargestellten Schaufelrädern 5 ständig in der Richtung bewegt,
welche durch Pfeile angedeutet ist. Der Eintrag von C0„ erfolgt
an Ausströmer leisten 6 (es können aber auch Oberflächendiffusion
oder Gasaustauscher vorgesehen sein ), die in regelmäßigen Abständen
zwecks gleichmäßiger Verteilung des C0_ angebracht sind. Eine in die A Igen suspension 4 eintauchende Glas-Elektrode 7 (Ingold-Glas-Elektrode
Typ 405 T) ist an einen pH-Regelverstärker
mit Grenzkontakten (siehe Figur 3) angeschlossen.
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Um das aus den Ausströmern 6 austretende CO3-GaS besser ausnutzen
zu können, sind unmittelbar nach bzw. über den Austrittsstellen 8 des Gases Folien bzw. Kunststoff- oder Glasplatten 9
angebracht, so daß die Gasblasen 10 durch die Suspension 4 unter der Sperrschicht (Folie, Platten) 9 weitertransportiert werden,
bevor sie an der Oberfläche 11 der Suspension 4 an die Atmosphäre entweichen können. Voraussetzung für den Weitertransport
der Gasblasen 10 ist, daß die Suspension 4 ständig in einer Richtung mittels der Schaufelräder 5 bewegt wird.
Bei Verwendung von lichtdurchlässigen, jedoch gasundurchlässigen Folien wird nur eine Halterung 12 auf einer Seite der Folie 9
benötigt. Die Halterung 12 bzw. die Folie 9 ist in Bezug auf die Höhe der Oberfläche 11 der Suspension verstellbar. Die Folie
wird von der Suspension 4 getragen. Die Länge der Folienbahn kann zehn Meter oder mehr betragen. Die Ausströmer 6 bzw. 8 sind
mittels Leitungen 13 und Magnetventilen 14 mit einem nicht näher dargesteUten Begasungssystem verbunden.
In der Figur 2 ist ein Querschnitt durch das Gerinne 1 mit der Algensuspension 4 dargestellt. Die Halterung besteht aus den
beiden senkrechten Stegen 12, die über einen Quersteg 15 miteinander verbunden sind, woran die Folie 9 befestigt ist. Werden
Kunststoff- oder Glasplatten als Sperrschicht 9 verwendet, ist noch eine weitere, der Halterung 12 entsprechende Halterung am
anderen Ende, in Fließrichtung der Suspension 4 gesehen, erforderlich. Zur besseren Ausnutzung und Steuerung des CO_-Eintrags
können jeweils zwei Ausströmer 8 gleichmäßig verteilt in die Suspension 4 eingetaucht sein. Die Breite der Sperrschicht 9 beträgt
0,5 bis 4 Meter.
Die Figur 3 zeigt das Schema des Schaltkreises für die Steuerung des pH-Wertes in dem offenen Gerinne 1. Das Schaufelrad 5, die
pH-Meßelektrode 7 sowie der Ausströmer 6,8 sind ebenfalls schematisiert. Der Ausströmer 6,8 ist über die Rohrleitung 13
sowie den Durchflußmesser 16 und das Magnetventil 14 mit einem nicht
näher dargestellten CO2-Speicher verbunden. Die pH-Meßelektrode T
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-a-
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ist über eine elektrische Verbindungsleitung 17 mit dem pH-Regler
18 ebenfalls verbunden. Dieser pH-Regler ist ein Regelverstärker mit Grenzkontakten. Sobald der pH-Wert innerhalb des
Gerinnes 1 bzw. der Algensuspension 4 durch assimilatorische Tätigkeit der Algen einen bestimmten, einstellbaren oberen Wert
erreicht hat, wird über das Relais 19 das Magnetventil 14 angesteuert,
welches den Zustrom von CO2 öffnet. Nun tritt CO2 in die Algensuspension 4 ein, bis die darauf erfolgende
pH-Absenkung um ca. 0,1 pH zum Abfallen des Relais 19 bzw. zur Schließung des Magnetventils 3 führt. Dieser Vorgang wiederholt
sich solange (siehe auch die Meßdiagramrne nach den Figuren 7 bis 10) wie die Algen assimilieren; die Frequenz stellt sich
entsprechend dem CO«-Verbrauch durch die Algen unterschiedlich
je nach der Lichteinstrahlung automatisch ein (siehe auch Fig.8undlO).
In der Figur 4 ist die Abhängigkeit .des Wachstums der Algen vom
pH-Wert in Prozent des optimalen Zuwachses eines jeden Versuches unter Freilandbedingungen bei Scenedesmus mittels der Geraden 20
bis 24 dargestellt. Es wurden nur die pH-statischen Versuche berücksichtigt. Die Gerade 25 zeigt einen Versuch für Coelastrum.
In der Figur 5 ist eine Beziehung zwischen den CO2-Eintrag in
Liter Kohlendioxid pro Stunde und dem pH-Wert bei Scenedesmus-Kulturen
im Freiland aufgetragen. Der Versuch erfolgte im Sommer
2 2
1974. Die Beckengröße betrug 81 m bzw. 76 m . Das Suspensionsvolumen betrug 12 m . Bei den Meßwerten handelt es sich um Mittelwerte,
aus Versuchen, unter vergleichbaren Wachstums- Licht- Bedingungen.
In Figur 6 ist eine Abhängigkeit der Kohlenstoff-Ausnutzung in
Prozent der eingetragenen Menge vom pH-Wert aufgezeigt. Die Kohlenstoff-Ausnutzung wird dabei definiert als C (inkorporiert),
wobei das C aus dem Kohlendioxid stammt und in die Algentrockensubstanz eingebaut wurde. Die sonstigen Bedingungen entsprechen
denen in der Figur 5.
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Die Figur 7 zeigt ein Meßdiagramm der GldbaIstrahlung in
2
Kalorien pro cm und Minuten aufgetragen über die Tageszeit
Kalorien pro cm und Minuten aufgetragen über die Tageszeit
von 6 ° Uhr morgens bis 18 ° Uhr. Es handelt sich hierbei um den 4. September 1975.
Die Figur 8 zeigt hierzu in der Kurve 26 für den gleichen
Tag die Sauerstoff-Konzentrationsänderung in der Algensuspension, gemessen in Milligramm Sauerstoff pro Liter. Die Kurve 27
zeigt den eingesteuerten pH-Wert in der Algensuspension. Der pH-Wert liegt bei 7 und schwankt um + oder - 0,1 pH.
Die Figur 9 zeigt wiederum für den 22. August 1974 in der Kurve 28 die Globalstrahlung. In Abhängigkeit von dieser Globalstrahlung
wird in zwei Suspensionen der pH-Wert gesteuert. Die Kurve 29 entspricht einem pH-Wert von 6,5 und die Kurve 30 einem pH-Wert
von 8,5. Es ist deutlich zu sehen, daß die pH-Wert-Steuerung selbst auf große Änderungen der Globalstrahlung während des
Tages reagiert.
In Figur 10 ist nochmals die pH-Wert-Steuerung für die Werte 6,5 und 8,5 mittels der Kurven 31 und 32 dargestellt, wobei
es sich wiederum um zwei verschiedene Algensuspensionen handelt, deren pH-Wert sich aufgrund der in der Kurve 33 aufgezeichneten
Globalstrahlung ändert und auf einen nahezu konstanten Wert eingeregelt .wird. Der Meßtag ist der 11. September 1974.
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Claims (1)
- Patentanspr üche:ΠΛ Verfahren zur optimalen Versorgung autotropher Organismen mit Kohlendioxid als Nährstoff, wobei der Bedarf an Nährstoff in Abhängigkeit vom Wachstum und damit vom Lichteinfall, der Temperatur und der Organismendichte schwankt, dadurch gekennzeichnet, daß der CO--Eintrag in ein Kulturgerinne (1) mit den Organismen mit im Gerinne (1) kontinuierlich gemessenen pH-Wert gesteuert wird.2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gerinne (1, 2, 3), in dem eine Algensuspension (4) in einer Richtung bewegbar ist, durch in Abständen angebrachte Ausströmvorrichtungen (6,8) für CO--Gas im Gerinne (1), durch mindestens eine in die Algensuspension (4) eingetauchte Meßstelle (7) und durch einen Schaltkreis (17, 18, 19, 14) zur Betätigung von Steuerorganen (14) für den CO2~Eintrag gemäß dem von der pH-Meßstelle (7) geliefertenMeßwert.3. Anordnung zur besseren Ausnutzung des gemäß Anspruch 1 und2 austretenden CO^-Gases, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Strömungsrichtung der Algensuspension (4) über und nach dem oder den Ausströmern (6, 8) lichtdurchlässige, aber gasundurchlässige Sperrschichten (9) angebracht sind.4. Anordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die AIgensuspension (4) von Schaufelrädern (5) in Bewegung gehalten ist.Anordnung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerorgane (14) Magnetventile sind, die über ein Relais (19) im Schaltkreis (18) der pH-Meßstelle (7) gesteuert sind.709825/0471ORIGINAL INSPECTED6. Anordnung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschichten (9) Folien oder Kunststoff- oder Glasplatten sind, die unterhalb der Oberfläche (11) der Algensuspension im Gerinne (1) mittels Halterungen (12, 15) befestigt sind.7. Anordnung nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Folien bzw. Platten (9) in Bezug auf die Gerinnoberfläche (11) verstellbar ist.709825/0471
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