DD293370A5 - Verfahren und anordnung zur kontinuierlichen biotechnologischen produktion von kohlendioxid fuer hydroponikanlagen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bereitstellung von Kohlendioxid fuer die industriemaeszige gaertnerische Gewaechshausproduktion auf der Grundlage von Biomasse. Als Biomasse kommt eine Algenmischpopulation aus Blau- und Gruenalgen zur Anwendung. Erfindungsgemaesz wird die Faehigkeit von Algen, in Reservedepots Kohlendioxid anzureichern und unter Hungerstreszbedingungen kurzfristig freizusetzen, durch gezielte Einstellung der Parameter Licht, Belueftung, Waerme, Naehrstoffe und Hervorrufen einer Streszsituation durch kurzzeitigen Wechsel dieser Bedingungen zur Erzeugung von Kohlendioxid genutzt. Die erfindungsgemaesze Anordnung umfaszt einen Kohlendioxid-Anreicherungsreaktor und einen Kohlendioxid-Freisetzungsreaktor, die in einem Hauptkreislauf zu einem Streszreaktor gekoppelt sind und einem damit verbundenen im Nebenkreislauf gefuehrten Regenerator, der aus einem Assimilator und einem Dissimilator besteht. Figur{Hydroponikanlagen; biotechnologische Produktion von Kohlendioxid; Biomasse; Algenmischpopulation; Streszsituation; Assimilation; Dissimilation; Anordnung von Streszreaktor und Regenerator}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bereitstellung von Kohlendioxid für die industriemäßige gärtnerische Gewächshausproduktion auf der Grundlage von Biomasse.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Aus der Patentliteratur ist eine Vielzahl von Verfahren zur Bereitstellung von Kohlensäuredünger für Gewächshäuser bekannt. Einerseits basieren die bekannten Verfahren auf einer zentralen Produktion von Kohlendioxid nach üblichen Methoden. Das Kohlendioxid wird dann in flüssiger, gasförmiger oder fester Form zum Gewächshaus transportiert, gelagert und zur Kaltbegasung eingesetzt. Nachteilig erweist sich insbesondere der hohe materielle und energetische Aufwand für Transport und Lagerung. Andererseits wird das Kohlendioxid dezentral im Gewächshaus durch Verbrennung fossiler Kohlenwasserstoffe erzeugt. Nachteilig ist hierbei die Verbrennung hochwertiger Energieträger lediglich zum Zweck der Kohlendioxidgewinnung. Durch den gegensätzlichen Bedarfsverlauf von Kohlendioxid und Heizwärme bei Sonnenstrahlung kann die Verbrennungswärme nicht genutzt werden und muß durch zusätzliche Einrichtungen abgeleitet werden.

Nachteilig für das Pflanzenwachstum ist dabei auch der Schwefelgehalt bestimmter Brennstoffe. Durch Betreiben der Kohlensäuregeneratoren mit schwefelfreiem Methanerdgas wird diesem Nachteil entgegengewirkt.

Eine weitere Möglichkeit stellt die Kohlendioxidversorgung von Gewächshäusern mittels kohlendioxidhaltiger Abgase von Kompostlerungsreaktoren (DE 3043082), bzw. aus der Abwasserbehandlung mittels aerober Mikroorganismen (US 3577678) dar. Probleme sind hierbei die Produktion und der Einfluß von Schadstoffen, die Sicherung gegen Pflanzenkrankheiten sowie eine ausreichende Versorgung mit Kohlendioxid. Problematisch ist darüber hinaus die Beschickung und Beräumung der Kompostierungsreaktoren. Darüber hinaus werden diese Kompostierungsreaktoren in der Regel nur diskontinuierlich zu betreiben sein.

Nach DD 231976 soll durch Kopplung von Methan-Verbrennung und Beimengung von durch Fermentation von Biomasse erzeugtem Kohlendioxid eine Erhöhung der Kohlendioxid-Ausbeute bei gleichzeitigerTemperaturverringerung erreicht werden.

Zusätzlich zu den Verbrennungseinrichtungen wird hierbei noch ein Ciogasreaktor benötigt.

Eine Optimierung der bekannten üblichen Verfahren wurde durch den zusätzlichen Einsatz von Steuerungen angestrebt (DD 266954, DD 243422).

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Nachteile der bekannten Verfahren zur Kohlensäuredüngung durch ein Verfahren der biotechnologischen Kohlendioxidbereitstellung zu beseitigen und damit eine Erhöhung der Erträge in Hydroponikanlagen zu ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kohlendioxid im Bereich von Hydroponikanlagen auf der Basis der Nutzung von Biomasse kontinuierlich zu produzieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Algenmischpopulation durch Belüften mit Luft bei gleichzeitiger Versorgung mit Nährstoffen, Licht und Wärme bei einer Temperatur von 10—30°C und einer Lichtintensität >1OOO Lux an ein niedriges Kohlendioxid-Niveau im umgebenden Medium adaptiert wird, die so eingestellte Biomasse im Wechsel einer 5 bis lOminütigen Belichtung und Belüftung bei einem zu Carbonat hin verschobenen CarbonaWKohlensäuregleichgewicht im basischen pH-Bereich und einer 5-10minütigen Abdunklung im sauren pH-Bereich mit Optimum bei pH 5,3 untor Anlegen von Vakuumbedingungen, Entlüftung oder Durchblasen eines fein verteilten Luftstromes unterworfen wird, das dabei freigesetzte Kohlendioxid aus dem Kreislauf entfernt und zum Bedarfsort geleitet wird, wobei gleichzeitig ein Teilstrom von maximal 20% der Biomassesuspension unter optimalen Wachstumsbedingungen 4-12 h regeneriert wird.

Der Erfindungsgedanke basiert auf der Tatsache, daß Algen die Fähigkeit besitzen, Kohlendioxid in Reservedepots zu speichern und unter entsprechenden Bedingungen wieder freizusetzen.

Die Algenkulturen werden durch das Belüften mit Luft an ein niedriges Kohlendioxid-Angebot im Medium adaptiert, bei entsprechenden Wachstumsbedingungen eine hohe Biomassekonzentration eingestellt und danach durch eingestellte Hungerstreßbedingungen bei gleichzeitiger optimaler Belichtung und Verschiebung dee Gleichgewichtes zum Carbonat hohe Kohlendioxid-Anreicherungsraten in den Reservedepots der Zellen erzwungen. Durch Lichtentzug wird die Freisetzung des Kohlendioxids aus den Reservedepots innerhalb weniger Minuten induziert, ohne daß dadurch die Biomasseveratmung nennenswerten Umfang annimmt.

Für die Algenmischpopulation werden erfindungsgemäß schnellwachsende Blau- und Grünalgen eingesetzt, deren Reproduktion über die Einstellung eines Orthophosphat-Gehaltes von > 100μρ/Ι für Grünalgen und > 150pg/l für Blaualgen gewährleistet wird. Die Algenmischpopulation wird aus natürlichen hochbelasteten Gewässern gewonnen, wobei die Selektion durch die Einstellung der Verfahrensparameter während der Adaptionsphase selbständig erfolgt. Der Nährstoffgehalt in der Adaptionsphase muß dem des hochbelasteten Gewässers (Entnahmeort der Algenpopulation) entsprechen, um ein Absterben bzw. lange Adaptionszeiten der Algenpopulation zu vermeiden.

In der Kohlendioxid-Anreicherungsphase wird die natürliche Assimilation durch den Zusatz von Assimilationshemmern, z. B. Jodacetamid, unterdrückt und dadurch die schnelle Aufnahme von Kohlendioxid in die Reservepools der Zellen erzwungen, ohne daß Kohlenstoff in Biomasse umgesetzt wird.

Als vorteilhaft wird der Einsatz von trägerfixierter adaptierter Biomasse angesehen. Damit wird einerseits ein höherer Anreicherungsgrad von Biomasse im Reaktor erreicht und damit der Kohlendioxid-Umsatz gesteigert. Andererseits ist trägerfixierte Biomasse gegenüber Schwankungen der eingestellten Parameter nicht so anfällig wie eine frei schwebende Population.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur kontinuierlichen biotechnologischen Produktion von Kohlendioxid für Hydroponikanlagen besteht aus einem Kohlendioxid-Anreicherungsreaktor und einem Kohlendioxid-Freisetzungsreaktor, die in einem Hauptkreislauf über eine Suspensapumpe zu einem Streßreaktor gekoppelt sind, wobei der Kohlendioxid-Anreicherungsreaktor mit einer Gasförderpumpe für Luftversorgung und einer Dosierpumpe für Assimilationshemmer und der Kohlendioxid-Freisetzungsreaktor mit einer Gasförderpumpe und einer Entlüftungseinrichtung zur Kohlendioxidentsorgung verbunden ist. Der im Hauptkreislauf geführte Streßreaktor itst über zwei Suspensapumpen mit einem im Nebenkreislauf geführten Regenerator gekoppelt, der aus einem Assimilator und einem Dissimilator besteht, wobei beide jeweils mit einer Gasförderpumpe ausgestattet und über eine Suspensapumpe für die Nebenkreislaufführung verbunden sind. Der Assimilator ist mit einer Dosierpumpe für Nährlösung und einem Abzug für sauerstoffangereicherte Luft und der Dissimilator mit einer Suspensapumpe für Algenüberschuß und einem Abzug für kohlendioxidangereicherte Luft versehen. Im Hauptkreislauf sind zwischen dem Kohlendioxid-Anreicherungsreaktor und dem Kohlendioxid-Freisetzungsreaktor und im Nebenkreislauf zwischen dem Assimilator und dem Dissimilator Meßstellen für den pH-Wert, die elektrische Leitfähigkeit, die Trübung und jeweils im Kohlendioxid-Freisetzungsreaktor und im Dissimilator Meßstellen für die Temperatur vorgesehen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgbmäßen Anordnung.

In Algenkulturen, die an geringe Kohlendioxid-Konzentrationen im Medium adaptiert sind, kommt es neben der Assimulationzur Anlage von Kohlendioxid-Pools in der Zelle, die die Aufgabe von Reservedepots haben und vorwiegend unter Streßbedingungen angelegt werden. Die Anreicherungsfaktoren bei Kohlendioxidmangel betragen 200-1000. Die Auffüllung der Kohlendioxid-Pools nimmt Zeiträume von 1-5' in Anspruch. Bei Lichtentzug werden ehe die Veratmung der Biomasse einsetzt, die Reservedepots in voller Höhe entleert, woboi von gleichen Zeiträumen wie bei der Bildung der Depots auszugehen ist. Diese Prozessesind ohne Abbau von Biomasse nutzbar, wenn Assimilation und Dissimilation durch den Zusatz von Hemmstoffen wie z. B. Jodacetamid unterbunden werden.

Am Beispiel von Anabena variabilis werden für den KAPLAN 1980 nachgewiesene Anreicherungsraten die Kohlendioxid-Freisetzungsraten berechnet:

Adaption an Luft-Kohlendioxid	0,033% Kohlendioxid
Kohlendioxidkonzentration
im Medium	10μπηοΙ/Ι
Anreicherungsfaktor	500
Anreicherung von Kohlendioxid
in der Biomasse	0,22 g/l
Umsetzungspotential bei 5'
Intervall	31,7g Kohlendioxid/1 d

In Hydroponikanlagen besteht ein Bedarf von 40-5Og Kohlendioxid/m² d. Bei Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens wäre bei Einsatz von Anabena variabilis 1,41 Algensuspension für die Versorgung von 1 m² Gewächshausfläche erforderlich.

Der Beispielreaktor besteht aus dem Streßreaktor und dem Regenerator. Der als lichtdurchlässiger Tubularreaktor ausgebildete Kohlendioxid-Anreicherungsreaktor 1 wird über die Gasförderpumpe 3 mit Luft zum Zwecke der Kohlendioxid-Versorgung und

intensiven Durchmischung der Algensuspension versorgt. Durch die externe Lichtquelle erfolgt die Licht- und Wärmeversorgung.

Mittels der Dosierpumpe 6 wird dem Reaktor eine JodacetJtnidlösung zugeführt. Über eine Freispiegelleitung wird die

Algensuspension dem als Tubularreaktor ausgebildeten Kohlendioxid-Freisetzungsreaktor 2 zugeführt, der über die Gasförderpumpe 3 mit Luft zum Zwecke der Durchmischung und pH-Wert-Regulierung versorgt wird. Mit der Vakuumpumpe 7

erfolgt der Abzug der kohlendioxidhaltigen Luft, die entweder direkt oder über einen Zwischenspeicher der Hydroponikanlagezugeführt wird.

Mittels der Suspensapumpe 4 wird die Kreislaufführung der Algensuspension so eingestellt, daß eine Aufenthaltsdauer der

Algen von 5-10min in jedem Reaktor gewährleistet wird. Über die Suspensapumpe 5 wird der Teilstrom der Algensuspension von max. 20% dem Regenerator zugeführt. Der Regenerator besteht aus dem Assimilator 8 und dem Dissimilator 9.

Der als lichtdurchlässiger Tubularreaktor ausgebildete Assimulator 8 wird über die Gasförderpumpe 3 mit Luft zum Zwecke der Kohlendioxid-Versorgung und intensiven Durchmischung versorgt. Das für die Assimilation erforderliche Licht wird über eine

externe Lichtquelle zugeführt. Über die Dosierpumpe 13 wird dem Assimilator Nährlösung zugeführt, bestehend aus

Nährlösungsabfällen der Hydroponikanlage, wobei ein Orthophosphat-Limit von 100-150pg/l nicht überschritten werden darf. Über die Abzugsleitung 15 wird die infolge der Assimilation mit Sauerstoff angereicherte Luft zur weiteren Verwendung in der Hydroponik (z. B. Sauerstoffanreicherung der Nährlösung) abgeführt. Über eine Freispielleitung wird die Algensuspension dem als Tubularreaktor ausgebildeten Dissimilator 9 zugeführt, der über die Gasförderpumpe 3 mit Luft zum Zweck der Durchmischung, pH-Regulierung und Kohlendioxid-Austreibung versorgt wird. Über die Abzugsleitung 14 wird kohlendioxidangereicherte Luft (natürlich oder über Vakuum) abgezogen, direkt oder über Zwischenspeicher der Hydroponikanlage zugeführt. Nach einer Aufenthaltszeit von 4-12h in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Algenpopulation wird mittels der Suspensapumpe 11 ein Teilstrom der regenerierten Algensuspension, der dem Teilstrom der Regeneratorzuführung entspricht,

in den Kohlendioxid-Anreicherungsreaktor 1 des Streßreaktors zurückgeführt.

Mittels der Suspensapumpe 12 erfolgt der Abzug überschüssiger Algensuspension. Über die pH-Wert-Meßstelle 16 werden die Assimilations- und Dissimilations-Bedingungen im Regenerator bzw. das pH-Niveau

im Streßreaktor überwacht. Entsprechend pH-Wert wird die Luftzufuhr zum Kohlendioxid-Freisetzungsreaktor 2, zum

Dissimilator 9 sowie die Lichtintensität und Nährstoffzufuhr zum Assimilator 8 geregelt. Über die elektrische Leitfähigkeits-Meßstelle 17 wird der Salzgehalt der Algensuspension kontrolliert sowie die Nährstoffzufuhr

zum Assimilator 8 geregelt. Bei Überschreiten eines in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Algenpopulationfestzulegenden Grenzwertes muß die vorhandene Nährlösung durch eine salzarme ersetzt werden. Über die Trübungs-

Meßstelle 18 wird das Algenproduktionsniveau kontrolliert. Entsprechend der durch die Trübung ausgewiesenen

Suspensionsdichte erfolgt die Regelung der Algenüberschußabfuhr.

Über eine Kohlendioxid-Konzentrationsmessung der aus dem Kohlendioxid-Freisetzungsteaktcr 2 >ind dem Dissimilator 9

abgeführten kohlendioxidangereicherten Luft erfolgt die Regelung der Kohlendioxid-Zufuhr zur Hydroponik.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Anordnung bestehen in

- der Produktion von Kohlendioxid am Verbraucherort durch Nutzung natürlicher Stoffwechselvorgänge

- einer Nährstoff bedarfsdeckung auf der Grundlage der in der Hydroponik anfallenden Abprodukte (Restnährlösung)

- Auslegung des Verfahrens und der verfahrensbedingten Anlagen auf der Grundlage dos tatsächlichen Kohlendioxid-Bedarfes

- einer Ertragssteigerung von 20-30% in der Hydroponik-Anlage

- einer Produktion von Überschußbiomasse bei entsprechender Betriebsführung als Dünger oder Eiweißfuttermittel

- dem Wegfall von Transporten zusätzlicher Einsatzstoffe

- zusätzliche Bereitstellung von Sauerstoff für die Hydroponikanlage

- in der Bereitstellung eines umweltfreundlichen abproduktfreien Verfahrens.

Claims (6)

1. Verfahren zur kontinuierlichen biotechnologischen Produktion von Kohlendioxid für

Hydroponikanlagen, gekennzeichnet dadurch, daß eine Algenmischpopulation durch Belüften mit Luft bei gleichzeitiger Versorgung mit Nährstoffen, Licht und Wärme bei einer Temperatur von 10-30⁰C und einer Lichtintensität > 1000 Lux an ein niedriges Kohlendioxid-Niveau im umgebenden Medium adaptiert wird, die so eingestellte Biomasse im Wechsel einer 5-10minütigen Belichtung und Belüftung bei einem zu Carbonat hin verschobenem CarbonaWKohlensäuregleichgewicht im basischen pH-Bereich und einer 5-10minütigen Abdunklung im sauren pH-Bereich mit einem Optimum bei pH 5,3 unter Anlegen von Vakuumbedingungen, Entlüftung oder Durchblasen eines fein verteilten Luftstromes unterworfen wird, das dabei freigesetzte Kohlendioxid aus dem Kreislauf entfernt und zum Bedarfsort geleitet wird, wobei gleichzeitig ein Teilstrom von maximal 20% der Biomassesuspension unter optimalen Wachstumsbedingungen 4-12 h regeneriert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Algenmischpopulation aus Blau- und Grünalgen besteht und deren Reproduktion über die Einstellung eines Orthophosphat-Gehaltes > 100pg/l für Grünalgen bzw. >150pg/l für Blaualgen gewährleistet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß in der Kohlendioxid-Anreicherungsphase die natürliche Assimilation durch Zusatz von Assimilationshemmern unterdrückt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß trägerfixierte adaptierte Biomasse eingesetzt wird.

5. Anordnung zur kontinuierlichen biotechnologischen Produktion von Kohlendioxid für Hydroponikanlagen, gekennzeichnet dadurch, daß in einem Hauptkieislauf ein Kohlendioxid-Anreicherungsreaktor (1) und ein Kohlendioxid-Freisetzungsreaktor (2) über eine Suspensapumpe (4) zu einem Streßreaktor gekoppelt sind, wobei der Kohlendioxid-Anreicherungsreaktor (1) mit einer Gasförderpumpe für Luftversorgung (3) und einer Dosierpumpe für Assimilationshemmer (6) und der Kohlendioxid-Freisetzungsreaktor (2) mit einer Gasförderpumpe (3) und einer Entlüftungseinrichtung zur Kohlendioxidentsorgung (7) verbunden ist und der im Hauptkreislauf geführte Streßreaktor über Suspensapumpen (5; 11) mit einem im Nebenkreislauf geführten Regenerator gekoppelt ist, der aus einem Assimilator (8) und einem Dissimilator (9) besteht, wobei beide jeweils mit einer Gasförderpumpe (3) ausgestattet und über eine Suspensapumpe (10) für die Nebenkreislaufführung verbunden sind und der Assimilator (8) mit einer Dosierpumpe für Nährlösung (13) und einem Abzug für sauerstoffangereicherte Luft (15) und der Dissimilator (9) mit einer Suspensapumpe für Algenüberschuß (12) und einem Abzug für kohlendioxidangereicherte Luft (14) versehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß jeweils im Hauptkreislauf zwischen dem Kohlendioxid-Anreicherungsrekator (1) und dem Kohlensäure-Freisetzungsreaktor (2) und im Nebenkreislauf zwischen dem Assimilator (8) und dem Dissimilator (9) Meßstellen für den pH-Wert (16), die elektrische Leitfähigkeit (17), die Trübung (18) und jeweils im Kohlendioxid-Freisetzungsreaktor (2) und im Dissimilator (9) Meßstellen für die Temperatur (19) vorgesehen sind.