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Verfahren zur Entfernung von Stoffen aus Lösungen
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beseitigung von anorganischen
und organischen Stoffen aus Abwässern, die die Eutrophierung der Vorfluter und sonstiger
Gewässer begünstigen, zur Gewinnung von biochemischen Stoffen, wie Antibiotika,
Vitamine, Fermente, Enzyme, Pharmazeutika, Eiweiß, Fette, Kohlehydrate und Gärungsprodukte
und zur Gewinnung von Biomassen wie Algen, Hefen, Pilzen und Bakterien mit Hilfe
von Algen, Hefen, Pilzen und Bakterien sowie den wachstumsfördernden Stoffen n-Triacontanol,
Melissylalkohol, n-Hentriacontanol und sec.
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Hentriacontanol.
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Derartige Verfahren sind von großem umweltbezogenen und wirtschaftlichem
Interesse, denn sie ermöglichen mit weit weniger Zeit-, Energie- und Raumbedarf
schnellere und höhere Reinigungs- und Konzentrationseffekte.
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Es sind bereits Verfahren bekannt, die mit Hilfe von chemischen Mitteln
(Flockungs- und Flockungshilfsmittel) Nährstoffe aus Abwässern entfernen. Der Einsatz
von Flokkungs und Flockungshilfsmitteln hat aber den großen Nachteil, daß diese
sogenannte chemische oder dritte Reinigungsstufe sehr kostspielig ist und der so
gewonnene
Abwasserselilamm durch diese Mittel oft eine so hohe toxisctje
Wirkung erreicht. dafl er erst recht zu einem Umweltproblem wird, weil dieser Schlamm
sehr schlecht zu verwerten ist. AulSerdem ist seit Jüngster Zeit bekannt. daß z.B.
Algen für die Abwasserreinigung eingesetzt werden. Zur Zeit stellen diese Versuch
noch im anfangsstadium und es ist bisher nicht gelungen, die hohen Energiemengen,
die benötigt werden, auf ein wirtschaltlich ertragliches Maß zu reduzieren. Außerdem
sind die erwiinsctiten und erforderlichen Abbauraten von den eutrophierenden Stoffen
unter wirtschaftlich vertretbaren Bedingungen nach nicht erzielt worden, da die
augestrebten Massenentfaltungen pro Zeiteinheit nicht zu erzielen waren.
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Das zutetzt Gesagte gilt in ahnlicher Wetse auch fur die dewinnung
von biochemischen Stoffon aus hultur-und Nöhransatzen, ebenso für die Gewinnung
von Biomassen wte algen, defen, Filzen und Bakterien selbst.
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Auf der suche nach dem @iochemisch wirksamen Stoff kupferglucoron
- Kuplerglucoron ist eine organische Verhindung, die zumeist natürlich in tropischen
Insekten vorkommt, sie bedingt bei Autnatime von Insekten bei Fischen tile mannigfaltige
Farbenpracht der Neschuppung und der Flossen - durch düunschichtchromatische Auftrennung
von Eiiellenwaclls, ge gelang es mir, bei den präparativen Arbeiten, nach vorhergehender
Verseifung, eine Fraktion zu gewinnen, die gelöst in Athanol/Athylmethylketon/wasser,
bei Anwendung in Aquarien, einon prachtigen Pflanzenwuchs hervorrief. Da jedoch
der erwunschte Erfolg bei dei den Fischen, auch uber die Fütterung, ausblieb, wurden
diese Arbeiten nicht weiter verfolgt und die Wirkung auf das Pflanzsenwachstum nicht
voll erkannt.
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In jüngster Zeit wurde durch Arbeiten von uies und Mitarbeiter bekannt,
da n-Triacontanol, das z. B. in Luzerne vorkommt, als wachstumsfördernde Substanz
bei haltur- und Nutzpflanzen ein autes Zellwachstum und eine wesentliche Erhöhung
des Trockengewichtes hervorruft. Diese Arbeiten ließen außerdem ein schnelleres
Wachstum auch ohne Lichtenergiezufuhr erkennen, sie blieben jedoch auf kultur-und
Nutzpflanzen beschrankt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe von Algen, Hefen,
Pilzen und Bakterien sowie n-Triakontanol Melissylalkohol, n-lientriacontanol und
sec. Ilentriacontanol, als Netzmittel Polyoxyaethylensorbitanmonopalmitat, Polyoxyaethylensorbitanmonolaurat,
Polyoxyaethylensorbitanmonostearat, Polyoxyaethylensorhitantristearat, Polyoxyaethylensorbitanmonooleat
und Polyoxyaethylensorbitantrioleat, alle wachstumsfördernde substanzen und Netzmittel
wahlweise kombiniert, diese wachstumsfordernde Wirkung fiir die Aufbereitung von
Abwässern, (iewinnung von biochemischen Stoffen und Gewinnung von Biomassen, z.
B. auch für die menschliche Ernährung, zu nutzen.
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Einen groben Vorteil bietet die Tatsache, dafl z. 13.
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tirünalgen, die den gleichen pliotosyiitlie t isetien Mechanismus
wie die nöheren Pflanzen aufweisen, einen höheren Anteil der photosynthetisch aktiven
sonnenstrahlung aufnehmen als Landpflanzen und daher einen vielfach höheren Ertrag
als die Landpflanzen hervorbringen. Dieses bedeutet auch, drall zur Erzielung des
gleichen Ertrags z. B. bei Algen ein wesentlich geringerer Raumbedarf nötig ist.
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Nach der Erfindung bei Anwendung der oben genannten wachstumsfördernden
Substanzen kann diese Ertragssteigerung mindestens um das Doppelte erhöht werden.
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Aiinliclies trifft für die Kulturen von Hefen, Pilzen und bakterien
zu. Ein weiterer wesentlicher Faktor bei der Gewinnung von Biomassen ist außerdem
die Tatsache, daß z. 13. der in höheren Konzentrationen vorliegende und für die
menschliche Ernährung schädliche Nitratstickstoff in nützlichen Proteinstickstoff
umgewandelt wird.
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Gegenüber den bisher bekannten Verfahren besitzt das Verfahren nach
der Erfindung zur Abwasserreinigung, Gewinnung von biochemischen Stoffen und Biomassen
weiterhin den Vorteil,mit wesentlich weniger Energie in Form von Licht und Bewegung
auszukommen, da auch in der Dunkelpliase und in lichtenergieärmeren Zonen kein Wachstumsstillstand
eintritt. Das Verfahren nach der Erfindung, angewendet für die Gewinnung von Biomassen,
zeigt z. 13. bei der Grtinalge S c e n e d e s m u s a c u t u s ein vergrößertes
Zellwachstum, was eine echte Zunahme des Trockengewichtes bedeutet.
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Vergleicljende lietrachtung von Kulturansätzen mit und ohne wachstumsfördernde
Substanz läßt eindeutig erkennen, daß bei dem Ansatz mit wachstumstördernder Substanz
eine wesentlich schnellere Zellteilung und Vermehrung stattfindet.
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Nach der Erfindung wird die Applikation der waclistumsfürderrjden
Substanzen in einem Gemisch aus äthanol/ Atliylmethylketon/Wasser vorgenommen, da
hierin die aktiven Substanzen in feinstkristalliner Form im kolloidale Zustand verharren
und so jeden Teil des
Kulturgefäßes oder der Veriahrensanlage passieren.
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Die Zugaben der oben genannten Netzmittel bewirken eine schnellere
und intensivere Kontaktierung mit dem kultursubstrat. Applikationsversuclie haben
gezeigt, daß nach der Erfindung angewandte Applikation eiiie weitaus schnellere
Kontaktierung mit den einzelnen Zellen bewirkt als die Applikation z. u. in Chloroform
gelöster wachstumaktiver Substanz oder diese direkt.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann in folgenden Gebieten eingesetzt
werden: 1) Zur Abwasserreinigung 2) Zur Gewinnung von biochemischen Stoffen (Antibiotika,
Enzyme, Fermente, Vitamine usw).
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3) Zur Gewinnung von Biomassen wie Algen, Hefen, Pilze, Bakterien
usw.
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4) Im Brauereigewerbe 5) Für den bakteriellen Abbau von Ölverschmutzungen
6) Zur bakteriologischen Wasseruntersuchung 7) Zur bakteriellen Erzaufbereitung
8) In der Gärungsindustrie 9) In der Aquaristik und Unterwasserpflanzenzucht 10)
Zur Herstellung von Molkereiprodukten 11) Als Kompostierungshilfe 12) Zur Edelpilzzucht
13)
In Zuchtanstalten des Pischereigewerbes 14) Zur Griinfutterkonservierung durch Silage.
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Ein Überblick über den heutigen Stand der Technik wurde aus folgenden
Publikationen gewonnen: 1. S.K.RIES, V.WERT, C.C.SWEELEY, R..LEAVITT Triacontanol:
A New Naturally Occurring Plant Growth Regulator Science, March 1977, Volume 195,
pp. 1339-1341 . S.K.RIES, V.WERT: Growth Response of Rice Seedlings to Triacontanol
in Light and Dark Planta 135, 77-82 (1977) 3. S.K.RIES, T.L.RICHMAN, Y.WERT: Growth
and Yield of Crops Treated with Triacontanol Received for publication January 3,
1978 Michigan Agricultural Experiment Station Journal Article No ? (Vorabdruck)
4. D. SCHWARZ: Der Einfluß von Wirkstoffen auf das Wachstum und die Vermehrung von
Algen <Literaturübersicht) Veröffentlichungen der Hydrologischen Forschungsabteilung
der Dortmunder Stadtwerke AG, Nr. 8, 1965 5. D. SCHWARZ: Entstehung des Thiamins
und seine Bedeutung für Bakterien und Algen in aquatischen Biotopen.
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dto. Nr. 12, 1972 6. F. STUHLMANN: Studien zum Verhalten stickstoffhaltiger
Wasserinhaltsstoffe bei der Langsamfiltration dto. Nr. 10, 1972
7.
J. GRIM: Der Phosphor und die pflanzliche Produktion im Bodensee gwf 108.Jahrg.Heft
44, 3.November 1967, 1261-1272 8. E. STENGEL: Anlagentypen und Verfahren der technischen
Algenproduktion Ber.Dtsch.Bot.Ges.Bd.'83,Heft 11, (1970) S.589-606 9. B.FOTT: Algenkunde,
IV: Die Bedeutung der Algen für den Menschen Gustav Fischer Verlag, Stuttgart, 1971,
S.512-548 10. Technologische Aspekte der Mikroalgenkultur 1.Symposium Mikrobielle
Proteingewinnung 1975 S.93-99, Verlag Chemie, Weinheim, 1975 11. C. SOEDER: Zur
Verwendung von Mikroalgen für Ernahrungszwecke Die Naturwissenschaften, 63, S. 131-138
(1976) 12. G. KLEIN: Algenbürtige Stoffe in Oberflächengewässern -ihre Bedeutung
für die wasserwirtschaftliche Nutzung und für die aquatische Biozönose Vom Wasser,
Band , 1978 S. 61-74 13. K.E. QUENTIN, H. BERNHARDT, R. WAGNER: Wege und Verbleib
des Phosphors in der Bundesrepublik Deutschland -Probleme des Umweltschutzes und
der Rohstoffversorgung Verlag Chemie, Weinheim, 1978
Die in den
nachfolgenden Beispielen I + II aufgeführten Kulturansätze wurden in einem 12-Stunden-Tages-Nacht-Rhythmus
(12 Stunden hell bei ca. 3000 lux und 12 Stunden dunkel)+. Die Temperatur bewegte
sich während der Tagphase von ca. 180C auf ca. 25 0C und während der Dunkelphase
von 25 0C auf 18 0C. Die gewählten Kulturbedingungen wurden bewußt nicht ideal gewählt,
da es bei diesen Beispielen zu beweisen gilt, daß das Verfahren nach der Erfindung
allerorts unter den jeweils gegebenen Bedingungen eingesetzt werden kann. Eine Optimierung
der Kulturbedingungen wäre durch folgende Parameter möglich: a) ausreichende C02-Zufuhr
b) höhere Lichtenergie c) höhere Temperaturen d) Bewegungsenergie e) Wahl der optimalen
Zelldichte f) Einsatz eventuell symbiotisch wirkender Organismuskombinationen g)
Wahl der idealen Wasserstoffionenkonzentration und h) ideales Nährmedium Als Nährmedium
wurde eine Nährlösung nach HEDLICH mit folgender Zusammensetzung eingesetzt: CaCl2
- 45,7 ol/l FeSO4 - 22,4 mmol/l KN03 - 3,96 mol /1 MgSO4 - 496,8 mmol/l MnCl2 -
0,51 mmol/l NaCl - 4,12 mol/l Na2HPO4 - 502,6 mmol/l NaH2PO4 - 1,64 mol/l XDTA -
22,1 mmol/l ZnSO4 - 2,09 mmol/l pH-Wert - 6,3 + durchgeführt
Beispiel
I Dieses Beispiel erläutert die rapide Eliminierung von eutrophierenden Stoffen
wie z. B. den Nitratstickstoff.
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Als Versuchsorganismus wurde die Grünalge S c e n e d e s m u s a
c u t u s gewählt.
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Kulturansatz: Erlenmeyerkultur, Abwasserreinigung a) Kontrollösung:
2 Ansätze in 300 ml Erlenmeyerkolben mit Steristopfen.
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L1 - 200 ml Nährlösung nach HEDLICH L2 - 2 ml ttlgensuspension L3
- 1 ml einer 0,025 eigen Polyoxyäthylensorbitan monolauratlö sung L4 - 5 ml einer
wässrigen Lösung, die 3 ml Äthanol und 3 ml Äthylmethylketon pro 1 dest.
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Wasser enthielt b) Testlösung: 2 Ansätze wie a) jedoch L4 mit zusätzlich
A 5 ml einer 0,18 mg Triacontanol / 1 enthaltenden Lösung c) Testlösung: 2 Ansätze
wie a) jedoch L4 mit zusätzlich B 0,18 mg Melissylalkohol(aus Bienenwachs) / 1 enthaltenden
Lösung Die Proben wurden in einen temperierten lichtschrank eingestellt und nur
sporadisch unter kurzer Abnahme der Steristopfen umgeschwenkt (ca. 5 x am Tag).
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Die Auswertung erfolgte nach 4 Tagen Standzeit.
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Alle Proben wurden durch ein 0,45/u-Membrantilter filtriert und anschließend
nach der Vorschrift des DEUTSCHEN EINHEITSVERFAHRENS ZUR WASSERüNTERSUCHUNG D 9.1
spektralphotometrisch analysiert.
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Tabelle I gibt die gefundenen Daten wieder.
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Die Interprätation dieser Daten ergibt, daß nach 4 Tagen bei der Blindlösung
noch 88 X der Ausgangskonzentration des Nitratstickstoffes vorhanden sind, dagegen
bei den mit Triacontanol / Melissylalkohol behandelte Proben nur noch 52 / 56 %.
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Probe ausgemessen Restnitrat Restnitrat Eliminierung nach Tagen mg
N03'/l NO3, in 96 I O1 sofort 245,1 100 0 I 02 sofort 245,3 100 0 I a1 4 215,6 88
12 I a2 4 218,1 89 11 I b1 4 129,9 53 47 I b2 4 124,9 51 49 I c 4 137,2 56 44 I
c2 4 134,8 55 45 Tabelle I: Nitrateliminierung nach 4 Tagen
Beispiel
II Dieses Beispiel erläutert die enorme Steigerung der Zelldichte und zwar innerhalb
von 9 Tagen auf über 100 96.
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Kulturansatz: Erlenmeyerkultur, Gewinnung von Biomassen.
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a) Kontrollösung: 2 Ansätze in 300 ml Erlenmeyerkolben mit Steristopfen
L1 - 200 ml Nährlösung nach HEDLICH L2 - 2 ml Algensuspension L - 1 ml einer 0,025
%igen Polyoxyäthylen-L3 sorbitanmonolauratlösung L4 - 5 ml einer wässrigen Lösung,
die 3 ml Äthanol und 3 ml Äthylmethylketon pro 1 dest. Wasser enthielt b) Testlösung:
2 Ansätze wie a), jedoch L4 mit zusätzlich 5 ml einer 0,18 mg Triacontanol / 1 enthaltenden
Lösung c) Testlösung: 2 Ansätze wie a), jedoch ohne L4 ; aber mit 5 ml einer 0,18
mg Triaconta nol / 1 enthaltenden wässrigen Lösung Die weitere Behandlung der Proben
erfolgte wie unter Beispiel I angegeben. Zur Ermittlung der Zelldichte wurden 15
ml der Proben mit einer Jodlösung fixiert und in 5 ml-Kammern sidimentiert, anschließend
unter einem Umkehrmikroskop ausgezählt.
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In der Tabelle II sind die ermittelten Daten zusammengefaßt.
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Die Interprätation der gefundenen Daten ergibt, daß die Zelldichte
nach 9 Tagen gegenüber der Kontroliprobe bei der Testlösung d um ca. 120 X zugenommen
hat.
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Probe Zellen/ml Zellen/ml Zellen/ml Zellen/ml Mittel sofort n.4 Tg
n. 6 Tg n. 9 Tg n. 9 Tg II a1 103846 648164 .255000 3.324000 3 383000 100 II a2
107075 682520 2.387215 3.442000 II b1 104967 908975 3.804000 7.490000 7.558000 223
II b2 106325 935200 3.972265 7.626000 II c1 111224 695110 2.686365 4.400000 4.498000
133 II c2 107575 703542 2.805000 4.596000 Tabelle II: Steigerung der Zelldichte
Abbildung I und II zeigen ebenso deutlich die enorm erhöhte Zellteilung bei der
behandelten <Abb.II) Probe.
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Beispiel III Die Funktionstüchtigkeit des nach der Erfindung eingesetzten
Verfahrens wurde auch bei Bakterien geprüft.
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Als Testorganismen dienten a) Escherichia coli und coliforme Bakterien
b) normale Luft- und Wasserkeime, in Plattenkultur.
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Beide Ansätze wurden nach der neuen Trinkwasserverordnung durchgeführt,wobei
jeweils 1 ml der unter Beispiel II genannten Lösung L4 , die frisch bereitet wurde,bei
dem Kontrollansatz und entsprechend bei den Testansätzen zusätzlich n-Triacontanol
in den verschiedenen Konzentrationen zudosiert wurde.
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Wie aus der Abbildung III ersichtlich waren die n-Triacontanolkonzentrationen
in o,o1 , 0,05 und 1,o mg/l gestaffelt.Bei dem Keinsahlansatz betrug die n-Triacontanolkonzentration
o,o1 , o,1 und 1,o mg/l (Abb.IV).
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Bei dem Escherichia coli -Ansatz erkenntman,daß auch coliforme Bakterien
ein wesentlich schnelleres Wachstum aufweisen.
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Bei dem Keimzahlansatz ist unter K1der enorme Kolonienzuwachs gegenüber
der Blindprobe K0 zu erkennen.
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Dieses Beispiel beweist,daß mit n-Triacontanol versetzte Nährmedien
eine schnellere Konzentration an Mikroorganismen und somit deren Stoffwechselprodukte
(z.B. Antibiotika ) erfahren.Dieses verdeutlicht auch Abbildung V .