DE102022113688A1

DE102022113688A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufzucht von Wasserpflanzen

Info

Publication number: DE102022113688A1
Application number: DE102022113688.4A
Authority: DE
Inventors: Heinz Plöchinger; Christian Plöchinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-05-31
Filing date: 2022-05-31
Publication date: 2023-11-30
Also published as: US20230380361A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur Aufzucht von Wasserpflanzen, insbesondere von Fadenalgen oder Seegras, weist ein wasserdichtes Becken (40), das zur Aufnahm von Wasser geeignet ist, eine Mehrzahl von Leuchtelementen, die auf das gesamte Volumen des Beckens (40) verteilt angeordnet sind, und ein Endlos-Transportband (41) mit einem Antriebsmotor (42) zum Bewegen des Transportbandes (41) in seiner Endlos-Richtung auf. Hierbei wird das Transportband durch eine erste Umlenkmechanik (43) der Vorrichtung derart durch das Becken geführt wird, dass mindestens 50%, vorzugsweise 70%, weiter vorzugsweise 90%, weiter vorzugsweise 100% jeder der beiden Oberflächen des Transportbandes (41) Licht von zumindest einem der Leuchtelemente empfangen kann, ohne von dem Transportband (41) abgeschattet zu werden. Das Transportband (41) ist hierbei dazu geeignet, die Wasserpflanzen daran zu verankern und daran wachsen zu lassen, während sich Wasser in dem Becken (40) befindet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufzucht von Wasserpflanzen. Hiermit wird ein verbesserter Umweltschutz durch die Erzeugung von Kohlendioxid-Senken, durch die sinnvolle Nutzung von Lastspitzen aus der Energiegewinnung in Form von Strom aus Windkraftanlagen und Photovoltaik, durch Gewinnung von neuartigen Materialien (Wertstoffen) aus schnell wachsender Algenmasse erreicht.
Der Klimawandel, basierend vorwiegend auf der hohen Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre, hat schon jetzt dramatische Auswirkungen. Er ist unumkehrbar bei der aktuellen Sachlage, dass nicht genügend natürliche Kohlendioxid-Senken verfügbar sind, um selbst nur den Anstieg der in die Atmosphäre kontinuierlich entlassenen Mengen CO2 zu kompensieren. Auch nach Erreichen der Klimaneutralität würde es noch viele Jahrzehnte dauern, bis die Konzentration des Schadgases auf natürliche Weise zurückgeht.
Technologische Ansätze zum Aufbau von Kohlendioxid-Senken konnten sich bisher nicht ausreichend und flächendeckend durchsetzen. Hohe Kosten und hoher Energiebedarf sind dabei häufig bremsende Faktoren.
Der Kohlendioxid-Abschöpfung durch Massen-Anpflanzung bekannter Landpflanzen steht deren langsames Wachstum entgegen.
Im Gegensatz zu Landpflanzen mit Blatt, Stängel und Wurzel gibt es bei Algen keine derartige Aufteilung. Bei gleichen Bedingungen erreicht das Wachstum von Algen um Faktoren höhere Werte als das von Landpflanzen.
Die Vorteile von Algen stehen bereits im Fokus vieler Projekte zur Züchtung von Mikroalgen. Deren Ölanteil zu gewinnen, ist allerdings aufwändig.
Die vorliegende Erfindung kombiniert vorteilhaft eine Reihe von biologischen und physikalischen Gegebenheiten, um skalierbare rentable Kohlendioxid-Senken zu realisieren, die gleichzeitig Wertstoffe produzieren. Die Erfindung ist hierbei durch den Gegenstand der Ansprüche definiert.
Bekannt sind hauptsächlich Verfahren zur Züchtung von Mikroalgen, sowohl für die Verwendung als Nahrungsergänzung, als auch zur Gewinnung von Treibstoff aus dem hohen Ölanteil.
Die hierfür nötigen geschlossenen Anlagen sind aufwändig und teuer.
Zum Beispiel offenbart die US 2009/0148927 A1 Becken zur Aufzucht von beliebigen Algen, die in regelmäßigen Abständen geleert werden. Die Becken können sowohl über einen Deckel als auch über den Boden beleuchtet werden. Die Lichtquellen sind hierbei fix in den Wandungen des Beckens verbaut. Eine volle Ausleuchtung des Beckenvolumens bei fortschreitendem Wachstum der Algen am Boden und an der Oberfläche des Beckens ist nicht gegeben.
Die US 2018/0223241 A1 offenbart eine Aufzuchtanlage für Mikroalgen in einem Zwei-Kammern-System, dessen Trennwand durch von innen beleuchtete Röhren gebildet wird. Hier sind künstlichen Lichtquellen in einer Wand des Behälters angeordnet.
Die US 2017/0127656 A1 offenbart, Fadenalgen an beleuchteten Platten wachsen zu lassen, die vertikal über einem Wasserbecken aufgehängt sind und von dort mit Wasser benetzt werden.
In einer Auftragsarbeit (Algenland-Ausgründung der Universität Marburg, für Plöchinger GmbH &Co. KG) wurde bereits die Anzucht von Fadenalgen in belüfteten Wasserbecken unter Verwendung von Abwasser aus der Kläranlage untersucht. Beispielsweise ergab ein Abwasser-Anteil von 50% einen relativen Zuwachs an Algenmasse um 583%. Damit ist der Ertrag größer als mit Nährlösung.
Der Flächenertrag könnte bis zum Faktor 2,5 höher sein als bei Flachskulturen. Die Studie kam also zum Ergebnis, dass Fadenalgen ein hohes Potential für Dämmstoffproduktion besitzen.
Allerdings ergeben sich große Wasserflächen pro Tonne trockenen Algenmaterials. Dies liegt daran, dass bei waagerechter Wasseroberfläche die Algen nur an der Oberfläche wachsen. Wenn einige Lagen übereinander liegen, erhalten die unteren Lagen immer weniger Licht. Eine bestimmte Dicke des Algenteppichs begrenzt somit die Ausbeute, bezogen auf die Wasserfläche.
Bei der in der Auftragsarbeit beabsichtigten Verwendung getrockneter Fadenalgen als Isoliermaterial ist wegen des hohen Flächenbedarfs die Rentabilität zweifelhaft.
Nach wie vor ist das Angebot von Isoliermaterial auf Erdöl-Basis (z. B. Polystyrol) und auf Basis von Stein und Glas (Mineralwolle) vergleichsweise günstiger. Ungünstig ist hierbei jedoch der hohe Energiebedarf und die schlechte Ökobilanz. Zum Beispiel ist der Energiebedarf bei der Mineralwolle-Herstellung mindestens 20-fach höher als bei nachwachsenden Dämmstoffen.
Die Erfindung hat zum Ziel, schnell wachsende Wasserpflanzen, wie Fadenalgen oder Seegras, als Ausgangsmaterial für neuartige Wertstoffe zu züchten. Die benötigte Fläche für die Anlagen soll bezogen auf die Menge der gezüchteten Algen möglichst gering sein. Die Zucht großer sortenreiner Algenmengen soll in Wasserbecken mit schichtweiser Lichteinbringung erfolgen.
Die benötigten Anlagen sollen mit Stromspitzen aus Photovoltaik- oder Windanlagen betrieben werden können. Die Einleitung von CO2, z. B. aus Abgasen und von Klärwasser als Phosphat- und Nitratquelle soll möglich sein. Der Frischwasserbedarf soll sehr gering sein.
Eine Kombination der Anlagen mit Kläranlagen, Zementwerken, Anbauflächen für Gemüse oder andere Bodenpflanzen, Fischzuchten, Aquakulturen etc. soll optional möglich werden.
Der Erfindung liegt zunächst die Erkenntnis zu Grunde, dass die Lichtversorgung für die Photosynthese der Algen sich durch die Dicke des wachsenden Algenteppichs selbst begrenzt. Um diesen limitierenden Faktor zu umgehen, wird, z.B. mittels Leuchtplatten, passendes LED-Licht schichtweise in belüftete Wasserbecken mit Nährlösung eingebracht. Die Leuchtplatten befinden sich in geeignetem Abstand.
Ein Algen-Transportband (beispielweise aus 2 gitterartigen Bändern oder durchsichtiges Folienband mit Haftobefläche für Algen) wird über Umlenkrollen mäanderförmig langsam an den Leuchtflächen vorbeigeführt. Die Anzahl der Leuchtplatten ist so gewählt, dass am Beckenende die maximale Dicke des Algenteppichs auf dem Algen-Transportband erreicht wird. Am Beckenende wird das Algentransportband zwischen Andruckrollen aus dem Wasser gezogen und an einer Trockenstrecke entlanggeführt. Optional enthält das Algen-Transportband eingefügte elektrisch leitende Elemente (z.B. Drähte), um das Wachstum von Algen oder Gräsern mit elektrischer Spannung oder elektrischen Impulsen zu stimulieren. Das elektrische Feld kann dabei zwischen den Elementen (Drähten) aufgebaut sein oder zwischen den Elementen (Drähten) und der elektrisch leitenden Nährflüssigkeit.
Der getrocknete Algenteppich kann automatisch abgestreift werden. Danach läuft das Endlos-Transportband wieder Richtung Becken. Der Transport kann dabei schrittweise geschehen, d.h. das Transportband wird um eine gewisse Strecke bewegt, z.B. um erntereife Algen aus dem Becken zu ziehen und gleichzeitig Algen für weiteres Wachstum in das Becken zu bringen. Hierauf steht das Transportband still, bis die Algen für den nächsten Ernteschritt ausreichend gewachsen sind.
Der Transportschritt kann dabei abhängig vom Ergebnis einer Messung der Dicke der Algenschicht, z.B. am Ende der Transportstrecke im Becken, gesteuert werden. Zum Beispiel kann die Abschwächung der Emission einer Lichtquelle, etwa einer Photodiode, durch die Algenschicht gemessen werden und der Transportschritt bei Unterschreiten eines Grenzwertes der Lichtstärke gestartet werden. Der Transport kann dann solange fortgesetzt werden, wie die Lichtstärke unter dem Grenzwert liegt.
Das Verfahren zur Algenproduktion umfasst 3 Phasen:

a) Anzucht von sortenreinen geeigneten Fadenalgen
b) Einbringen der Zuchtalgen in ein Algen -Transportband bzw. Anhaften der Zuchtalgen an der Transportfolie
c) Kontinuierliche Produktion des Algenmaterials

Verfahren und Vorrichtungen zur Algenzucht und Algenproduktion werden im Folgenden mit Bezug auf die Figuren beschrieben:

1 zeigt Abschnitte von Fadenalgen 11, vorzugsweise mit Bambus-ähnlichem Aufbau, d.h. in den Segmenten hohl, mit Durchmesser D vorzugsweise im Mikrometer-Bereich; das reinsortige Zuchtmaterial wird zunächst im Labor hergestellt.
2 a zeigt gitterartige Trägerbänder 21a und 22a mit Zuchtalgen aus dem Labor 23a, sowie zusätzlich eingefügten elektrisch leitenden Elementen (Drähten) 24a.
2 b zeigt einen Abschnitt eines Algen-Transportbandes, zusammengefügt aus Trägerbändern 21b und 22b mit den eingeschlossenen Algen 23b.
3 a zeigt den Querschnitt durch eine Leuchtplatte mit 2 lichtdurchlässigen Platten 31a (z. B. Glas), den eingesetzten Leuchtdioden (LED) 32a mit geeigneter Wellenlänge, dem wasserdichten Verbindungsmaterial 33a und dem Anschlusskabel 34a
3 b zeigt eine Schrägansicht einer Leuchtplatte mit 2 lichtdurchlässigen Platten 31 b, eingesetzten Leuchtdioden (LED) 32b, wasserdichtes Verbindungsmaterial 33b und das Anschlusskabel 34b.
3 c zeigt die Draufsicht auf eine alternative Leuchtplatte 31c in Form einer transparenten Lichtleitplatte mit einer aufgesetzten LED-Leiste 32c mit geeigneter Wellenlänge, mit aufgesetzten Reflektor-Streifen auf die Lichtleitplatte seitlich und unten 33c und dem Anschlusskabel 34c.
3 d zeigt eine Schrägansicht einer Leuchtplatte nach 3 c mit der Lichtleitplatte 31d, der aufgesetzten LED-Leiste 32d, den Reflektor-Streifen 33d und dem Anschlusskabel 34d.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur kontinuierlichen Algenproduktion mit folgenden Bestandteilen:

40

wasserdichtes Becken

40a

Abdeckfolie CO2-durchlässig

41

Algen-Transportband

42

Antriebs-Rolle mit (Schritt-) Motor

43

Umlenk-Rollen im Becken (erste Umlenkmechanik)

44

Umlenk-Rollen außerhalb des Beckens (zweite Umlenkmechanik)

45

Abstreif-Rollen im Becken

46

Leuchtplatten mit LED's, wasserdicht

47

Zuleitung für Nährlösung, Wasser mit z. B. 50% Abwasser aus Kläranlage, mit Ventil, gesteuert von Pegel und pH-Sensoren im Becken

48

Zuleitung für Gas (Luft, CO2, Gemisch etc.) mit Ventil, gesteuert von pH-Sensor, mit Verteilsystem (nicht gezeichnet), z. B. Perlschläuche

49

Schneidvorrichtungen für getrockneten Algenteppich

Verfahrensablauf der Algenproduktion:
Stromspitzen aus erneuerbaren Energie-Quellen werden in geeigneten Batterien zwischengespeichert und dienen zur Versorgung der Leuchtplatten in einem festgelegten Hell-Dunkel-Rhytmus. Dieser kann abhängig von der Algenart und der Ertrags-Verfolgung optimiert werden.
Bei guter Versorgung mit Phosphaten, Nitraten und CO2 wachsen aus den im Algen-Transportband 41 festgehaltenen Mutter-Zuchtalgen 23a, vgl. 2, innerhalb weniger Tage neue (Tochter-)Algen durch das Netz in Richtung der Beleuchtung, also auf beiden Seiten.
Je nach gewünschter Länge der zu erntenden Algen-Abschnitte wird die Antriebs-Rolle 42 in eine Richtung langsam vorwärts bewegt. Auch eine schrittweise Bewegung ist möglich.
Außerhalb des Zuchtbeckens trocknet das Transportband 41 mit den zu erntenden Algen an der Luft, der Sonne oder durch Infrarotstrahler.
An geeigneter Stelle können die getrockneten Fadenalgen nahe am Transportband 41 abgetrennt, somit geerntet werden.
Trockene Fadenalgen, also auch die Mutter-Zuchtalgen im Transportband 41, überstehen längere Trockenphasen unbeschadet. Bei Arten, die unter Trockenphasen leiden, kann das Transportband 41 im Außenbereich mit Wasser besprüht werden.
Beim erneuten Eintritt in das Zuchtbecken stellen sich die Algen im nassen Medium wieder auf Wachstum ein.
Somit ist ein kontinuierlicher Prozess gegeben, soweit Energie, CO2 und Nährstoffe in ausreichender Menge vorhanden sind.
Die oben diskutierte Anlage eignet sich auch für die Aufzucht von anderen Wasserpflanzen, die sich an dem Transportband 41 anheften können.
So kann z.B. das Wurzelgeflecht von Seegras in der Gitterstruktur des Transportbandes 41 verankert werden, um auf dem Transportband 41 einen Seegrasteppich wachsen zu lassen. Das Seegras kann während des Wachstums bei stehendem Transportband 41 vollständig im Becken 40 verbleiben. Zur Ernte wird das Transportband 41 einmal in seiner kompletten Länge an der Schneidvorrichtung 49 vorbeigeführt und dort derart abgeschnitten, dass ein wachstumsfähiger Rest an dem Transportband 41 verbleibt. Dies erfolgt mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, um zu verhindern, dass das Wurzelgeflecht des Seegrases austrocknet.
In ähnlicher Weise lässt sich die oben beschriebene Vorrichtung auch an die Aufzucht von anderen Wasserpflanzen anpassen.
Es versteht sich zudem von selbst, dass die oben gezeigte Vorrichtung auch in abgewandelter Form gestaltet werden kann, solange sie ihr Ziel erreicht, Wasserpflanzen in möglichst platzsparender Form in einem Becken 40 zu züchten. So kann z.B. die Anordnung und Form der Leuchtplatten 46 und des Transportbandes 41 auch anders gestaltet sein, solange das Ziel erreicht wird, eine ausreichend große Fläche des Transportbandes 41 (z.B. 50%, 70%, 90%, oder 100%) in dem Becken 40 unter direkter Bestrahlung laufen zu lassen. Zum Beispiel können statt der Leuchtplatten 46 auch beliebige andere Leuchtelemente anderer Form, wie etwa an Netzen befestigte LEDs oder dergleichen verwendet werden. Das Transportband 41 kann dann durch Lücken in den Netzen in im Prinzip frei vorgebbarer Bahn durch das Becken 40 geführt werden
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0148927 A1 [0010]
US 2018/0223241 A1 [0011]
US 2017/0127656 A1 [0012]

Claims

Vorrichtung zur Aufzucht von Wasserpflanzen, insbesondere von Fadenalgen oder Seegras, aufweisend: ein wasserdichtes Becken (40), das zur Aufnahm von Wasser geeignet ist; eine Mehrzahl von Leuchtelementen, die auf das gesamte Volumen des Beckens (40) verteilt angeordnet sind; einem Endlos-Transportband (41) mit einem Antriebsmotor (42), vorzugsweise einem Schrittmotor, zum Bewegen des Transportbandes (41) in seiner Endlos-Richtung; wobei das Transportband durch eine erste Umlenkmechanik (43) der Vorrichtung derart durch das Becken geführt wird, dass mindestens 50%, vorzugsweise 70%, weiter vorzugsweise 90%, weiter vorzugsweise 100% jeder der beiden Oberflächen des Transportbandes (41) Licht von zumindest einem der Leuchtelemente empfangen kann, ohne von dem Transportband (41) abgeschattet zu werden; und das Transportband (41) dazu geeignet ist, die Wasserpflanzen daran zu verankern und daran wachsen zu lassen, während sich Wasser in dem Becken (40) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, des Weiteren mit einer zweiten Umlenkmechanik (44), die das Transportband (41) um das Becken (40) herumführt; und einer Schneidvorrichtung, die dazu geeignet ist, die Wasserpflanzen von dem Transportband (41) zu lösen; wobei ein wachstumsfähiger Rest der Wasserpflanzen auf dem Transportband (41) verbleibt, der mittels des Transportbandes (41) zum weiteren Wachstum zurück in das Becken (40) befördert werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Leuchtelemente plattenförmig ausgebildet und parallel zueinander im Becken (40) angeordnet sind; und die erste Umlenkmechanik (43) das Transportband (41) an den beiden flächigen Seiten jedes der plattenförmigen Leuchtelemente vorbeiführt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest ein Leuchtelement aus zwei parallelen, lichtdurchlässigen Platten (31a) besteht, zwischen denen eine Mehrzahl von LEDs (32a, 32b) angeordnet ist, die von den lichtdurchlässigen Platten (31) und einem Verbindungsmaterial (33a) wasserdicht eingeschlossen sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest ein Leuchtelemente aus einer transparenten Lichtleitplatte (31d) besteht, die an zumindest einer Schmalseite mit einer wasserdichten LED-Leiste (32d) versehen ist, die Licht ins Innere der Lichtleitplatte abstrahlt, und an den anderen Schmalseiten mit einer Reflexionsschicht, insbesondere mit Reflektorstreifen (33d), versehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Leuchtelemente geeignet sind, das Spektrum des von den Leuchtelementen emittierten Lichts an die Wachstumsbedingungen der Wasserpflanzen anzupassen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, des Weiteren mit einer Nährstoffzuleitung (47), die geeignet ist, Nährlösung, insbesondere Wasser mit vorzugsweise 50% Abwasser aus Kläranlagen, über ein Ventil in das Becken zu leiten; wobei das Ventil geeignet ist, basierend auf einem Wasserpegel im Becken (40) und Messwerten von pH-Sensoren im Becken (40) gesteuert zu werden.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, des Weiteren mit einer Gaszuleitung (48), die geeignet ist, ein Gas, insbesondere Luft, CO2 oder ein Gemisch daraus, über ein Ventil und ein Verteilsystem, vorzugsweise über Perlschläuche, in im Becken (40) enthaltenes Wasser einzubringen; wobei das Ventil geeignet ist, basierend auf Messwerten von pH-Sensoren im Becken (40) gesteuert zu werden.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, des Weiteren mit einer Batterie zum Speichern von elektrischer Energie; wobei die Leuchtelemente geeignet sind, mittels der in der Batterie gespeicherten Energie betrieben zu werden.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Transportband (41) elektrisch leitende Elemente, vorzugsweise Drähte, aufweist, die mit elektrischer Spannung oder elektrischen Impulsen beaufschlagt werden können.
Verfahren zur Aufzucht von Fadenalgen mittels der Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, mit den Schritten Einbringen des mit Fadenalgen versehenen Transportbandes in das mit Wasser gefüllte Becken; Anregen des Wachstums der Fadenalgen durch Beleuchtung mit den Leuchtelementen; Kontinuierliches Bewegen des Transportbandes durch das mit Wasser gefüllte Becken mit einer Geschwindigkeit, die während eines kompletten Durchlaufs durch das Becken ein Wachstum der Fadenalgen auf dem Transportband zu einer vorgegebenen Dicke erlaubt; durch das kontinuierliche Bewegen, Ausbringen der Fadenalgen aus dem Becken (40); nach dem Ausbringen der Fadenalgen aus dem Becken (40), Abtrennen eines Teils der Fadenalgen von dem Transportband; und durch das kontinuierliche Bewegen, Wiedereinbringen des nicht abgetrennten Teils der Fadenalgen in das Wasserbecken zum weiteren Wachstum.