Zur Methodik der Freilandkultur einzelliger Grünalgen und Vorschlag eines neuen Kulturverfahrens

34 Pages·1959·1.995 MB·German

by  Dr. rer. nat. Maria-Elisabeth Meffert (auth.)

DK 582.263:581.09
FORSCH UNGSB ER ICHTE
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben durch das Kultusministerium
Nr.716
Dr. rer. not. Maria-Elisabeth Meffert
Zur Methodik der Freilandkultur einzelliger Grünalgen
und Vorschlag eines neuen Kulturverfahrens
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG / KOLN UND OPLADEN
1959
ISBN 978-3-663-04167-2 ISBN 978-3-663-05613-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-05613-3
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Einleitung; Übersicht über die gebräuchlichen Kultur-
verfahren • S. 5
Eine neue Methode zur Kultur von Scenedesmus obliquus S. 16
I. Gewächshausversuche 1957 • S. 18
1. Methodisches s. 18
2. Ergebnisse s. 19
11. Freilandversuche 1957 und 1958 . s. 23
1. Methodisches S. 23
2. Ergebnisse S. 26
a) Trockensubstanz- und Kohlenstoffausbeuten S. 26
b) CO2-Verbrauch .•.• S. 27
c) Energieaufwand • S. 28
d) Arbeitszeit und -kräfte S. 28
e) Anwendung der neuen Methode s. 29
111. Zusammenfassung s. 30
IV. Literaturverzeichnis s. 31
Seite 3
Ein lei tun g
Übersicht über die gebräuchlichen Kulturverfahren
Die unsterile Kultur einzelliger Grünalgen der Gattungen Chlorella
und Scenedesmus in größerem Maßstab wurde um 1950 begonnen und ging
von den Erfahrungen und Erkenntnissen aus, die man bis dahin bei der
sterilen Kultur dieser Algen unter regelbaren Bedingungen im Labora
torium gemacht hatte. So war bekannt, daß Wachstum und Vermehrung die
ser Algen durch die Zufuhr von CO , die Zusammensetzung des Nährmediums,
2
Licht, Temperatur und Bewegung der Suspension beeinflußt werden können
[11, 20, 25]. Die in den folgenden Jahren durchgeführten Untersuchungen
erweiterten diese Kenntnisse und trugen zur Klärung der Zusammenhänge
zwischen Kulturbedingungen einerseits und Stoffwechsel, Vermehrung und
Wachstum der Algen andererseits bei [1,3,12,21,28,29]. Um die Kultur
bedingungen möglichst optimal zu halten, sind im Laufe der Jahre ver
schiedene Methoden entwickelt worden, die sich vornehmlich durch die
Wahl der Kulturgefäße, des Nährmediums, der Art der Bewegung der Sus
pension und der CO2-Zufuhr voneinander unterscheiden [27].
Die im Laboratorium benutzten Methoden sind aber für die Kultur von
Algen in größerem Maßstab meist nicht oder nur bedingt anwendbar.
Denn schon die Übertragung der für eine intensive Individuenvermehrung
im Laboratorium als notwendig erkannten Bedingungen auf Freilandkul
turen ist wegen der anderen Voraussetzungen im Freiland nicht immer
ohne Schwierigkeiten durchführbar. So sind Licht und Temperatur, zwei
wichtige Faktoren, im Freiland nicht konstant und nicht regelbar. Die
im Laufe des Jahres wechselnde Lichtintensität kann allerdings durch
die Wahl verschiedener Schichthöhen der Suspension oder unterschied
licher Zellkonzentrationen in gewisser Weise ausgeglichen werden. Um
aber auch in Monaten mit extrem hohen Temperaturen Algen kultivie~en
zu können, schlägt TAMIYA die Kultur von Stämmen vor, deren Temperatur
optimum in dem entsprechenden Bereich liegt [24,25]. Als weiterer
klimatiBcher Faktor, der das Gedeihen von Algenkulturen beeinflussen
kann, sind Niederschläge, die zumeist eine plötzliche Abkühlung und
eine Verdünnung des Nährmediums mit sich bringen. zu nennen.
Zu diesen Voraussetzungen kommen weitere, mehr technischer Art.
Der sehr viel größere Maßstab, in dem diese Kulturen angelegt und be
trieben werden, erfordert andere Kulturbehälter als im allgemeinen im
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Laboratorium üblich sind, ebenfalls häufig andere Methoden für die
Turbulenzerzeugung und die CO2-Zufuhr. Auch daß für derartige Kulturen
nur das Sonnenlicht als Lichtquelle in Frage kommt, muß bei der Wahl
und der Aufstellung der Kulturbehälter berücksichtigt werden. Ferner
soll eine solche Anlage nicht nur den Algen möglichst optimale Bedin
gungen für die Substanz- und Individuenvermehrung bieten, sondern auch
gegen klimatische Einflüsse widerstandsfähig und einfach, mit wenig
Personal zu handhaben sein. Schließlich fordern wirtschaftliche Über
legungen möglichst geringe Bau- und Betriebskosten.
Schon die hier aufgezählten Faktoren zeigen, daß eine Anlage zur Kul
tur von Algen in größerem Maßstab anders beschaffen sein muß als eine
entsprechende Apparatur im Laboratorium. Um eine geeignete Methode zu
finden, wurden daher für die im Gewächshaus und im Fretland durchge
führten Untersuchungen über Kulturbedingungen, Vermehrung der Algen
und deren Substanzzusammensetzung verschiedene Verfahren vorgeschlagen
[2,3,5,27]. Diese unterscheiden sich wiederum durch die Art der ver
wendeten Gefäße, der Turbulenzerzeugung und der CO -Zufuhr. So dienten
2
als Behälter verschiedene Arten von Flaschen [7,14,26], vertikale,
horizontale oder entsprechend dem Sonnenstand neigbare Glasröhren
[4,6,7], Röhrensysteme [7,28J, besonders schmale Aquarien [8J und
Kunststoffröhren und -schläuche [4,7]. Aber auch Zementbecken und Grä
ben mit oder ohne Kunststoffauskleidung kamen zur Anwendung [9,10,14,
16,17,18,30,31]. Um die notwendige Bewegung, die ein Absetzen der Zel
len verhindert, zu schaffen, wurde mit CO angereicherte Luft, die
2
gleichzeitig die C-Versorgung sicherstellte, in mehr oder weniger star
kem Strom durch die Suspension geblasen [10-14,6-8,16,17,19,25,26,3°].
Ebenfalls sehr häufig werden verschiedene Rühr- und Schüttelsysteme
verwendet [7,13,15,31] oder die Suspension wird mittels Pumpen umge
wälzt [4,7,9,18,3°].
Für die Kultur von Algen in größerem Maßstab erwiesen sich aber von
diesen Methoden nur wenige als geeignet. So arbeitete man anfangs im
wesentlichen nach 3 Verfahren: 1. in den USA und in Japan mit geschlos
senen Polyäthylen-Schläuchen (das geschlossene Zirkulationssystem)
[4,18], 2. in Israel mit tiefen Becken, deren Südwand aus Glas besteht
(das tiefe Kultursystem) [15J und 3. in Deutschland mit offenen Gräben
(das offene Durchsprudelungssystem) [10,16,17].
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Sowohl in den USA als auch in Japan wurde nach demselben Prinzip, aber
mit verschiedenem Kulturvolumen gearbeitet. Danach befindet sich die
Algensuspension in einem Kunststoffschlauch (0: 1 m, Inhalt: ca.
800 - 5000 1), wo man sie durch ständiges Umpumpen zirkulieren läßt,
um ein Absinken der Zellen zu verhindern. CO2 wird durch entsprechend
angeTeicherte Luft (bis zu 5 VOl.% CO2) der Kultur zugeführt (Abb. 1
und 2).
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Kulturanlage in den USA aus Ein Teil der japanischen Anlage,
2
großen Röhren durchsichtiger der geöffnete Kulturgraben )
Polyäthylenfolie 1)
Nach TAMIYA [30] und einem Bericht des Carnegie Instituts [4] hat die
ses Verfahren folgende Vor- und Nachteile: Wie bei allen geschlossenen
Systemen kann das zugeführte CO , das bei Verwendung von Flaschen
2
kohlensäure ein nicht unerheblicher Kostenpunkt ist, weitgehend von den
Algen aufgenommen und ausgenutzt werden. Der CO -Verlust ist re
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lativ gering. Ebenfalls dürfte auch bei hohen Temperaturen praktisch
kein Wasser durch Verdunstung verloren gehen, während bei Regenfällen
die meist unerwünschte Verdünnung der Nährsalz- und auch Zellkonzent.ra
tion verhindert wird. Die Kulturen sind ferner vor Staub geschützt und
man könnte erwarten, daß auch Verunreinigungen durch Fremdalgen und
1. Aus: Pilot plant studies in the production of Chlorella. In: [3]
2. Aus: MITUYA, A., T. NYUNOYA and H. TAMIYA, Pre-pilot-plant experi
ments on algal mass culture. In: [3]
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Infektionen durch Protozoen~ Pilze und Bakterien seltener seien. Das
scheint aber nach den in den USA und Japan gemachten Erfahrungen nicht
der Fall zu sein. Da die Folie mit der Zeit brüchig und durchlässig
wurde, gingen z.T. nicht nur erhebliche Suspensionsmengen verloren,
sondern es war auch eine Möglichkeit für den Eintritt verschiedener
Parasiten gegeben, deren Vermehrung durch den offenbar erheblichen Be
lag am Boden und Wänden, dessen zeitige Entfernung hier schwierig sein
dürfte, noch gefördert wurde. Diese, an der oberen Innenseite des
Schlauches angetrocknete Substanz verminderte überdies die einfallende
Lichtmenge. Als weiterer Nachteil ist die im Sommer leicht eintretende
starke Erwärmung der Kulturen anzuführen, die eine Kühlung notwendig
macht.
Ein anderes System wird in den USA zur Kultur von Algen in Abwasser von
GOTAAS und Mitarb. [9J benutzt. Die Methode unterscheidet sich von
allen anderen dadurch, daß kein CO2 oder mit CO2 angereicherte Luft der
Suspension zugeführt wird, da GOTAAS und Mitarb. der Ansicht sind, daß
das bei dem Abbau der im Abwasser vorhandenen organischen Substanz ent
stehende CO2 für den Bedarf der Algen ausreicht. - Die notwendige Be
wegung wird mittels mehrerer Pumpen, die die Suspension in zwei ver
schiedenen Richtungen zirkulieren, erreicht. So sind innerhalb des
offenen rechteckigen Zementbehälters Pumpen aufgestellt, die den im
Abwasser vorhandenen und sich bald absetzenden Schlamm zusammen mit ab
gesunkenen Algen vom Boden aufsaugen und durch seitlich an dem Behälter
angebrachte, in der Längsrichtung verlaufende, durchbohrte Röhren wie
der in den Behälter drückt. Außerdem wird die Suspension umgepumpt
(s. &bb. 3). - Da es sich hier um eine Suspension von Algen in Abwas
ser handelt, die wohl immer sich relativ schnell absetzende Schlamm
flöckchen enthält, ist der Aufwand für die Bewegung größer. Daher kann
dieses System nicht, ohne die besonderen Voraussetzungen dieser Kultur
zu berücksichtigen, mit anderen Systemen verglichen werden.
Das in Israel zur Kultur von Chlorella Arten angewandte Verfahren
weicht insofern von allen anderen, die zur Zeit benutzt werden, ab,
als hier die Schichtdicke der Algensuspension 1 m beträgt, während
sonst 20 cm kaum überschritten werden [15J. Da durch diese Schicht
höhe die Lichtintensität innerhalb der Suspension sehr vermindert wird,
sind die als Kulturbehälter benutzten, 2000 1 fassenden Becken mit
4).
einer gläsernen Südwand versehen (s. Abb.
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Kulturtank in Israel mit gläserner Südwand.
Der Tank ist halb entleert4)
Die Turbulenz wird durch einen Rührer erzeugt. Als C-Quelle dient unver
dünntes CO2, das in einem Strom von 300 l/h durch feinporige Forzellan
filter in die Kultur geblasen wird. Die CO2-Gabe von 300 l/h wurde
einmal am Tage gegeben und erwies sich als ausreichend. - Sicher ist
die Verwendung großer Schichthöhen in Breiten mit hohen Lichtintensi
täten vorteilhaft, denn dadurch entfällt in den warmen Jahreszeiten
die sonst u.U. notwendige Kühlung. Auch der durch Verdampfung entstehen
de Wasserverlust dürfte bei der kleinen, freien Oberfläche relativ ge
ring sein. Ein weiterer Vorteil ist der geringe Flächenbedarf. Aller
dings scheint dieses Verfahren nur in Breiten mit hohen Lichtintensi
täten und Temperaturen anwendbar zu sein. - Da hier das Verhältnis von
Oberfläche zu Volumen von dem anderer Verfahren beträchtlich abweicht,
können die Ausbeuten kaum miteinander verglichen werden. So ist die
Ausbeute von 15 - 20 g/m2.Tag relativ hoch, die Ausbeute pro Volumen
einheit mit 70 - 80 g/Tank (2000 l)·Tag jedoch relativ gering.
Bei dem zuerst in Essen angewandten Verfahren wird die Algensuspension
in offenen Gräben - mit Mipolamfolie ausgekleideten Erdmulden - kulti
viert (s. Abb. 5 und 6). Die Schichthöhe der Suspension beträgt ca.
10 cm. Auf dem Boden des Kulturbehälters liegen ein oder mehrere
4. Aus: MAYER, A., A. EISENBERG and M. EVENARL, Studies on the deep mass
culture of algae in Israel. In; [5J
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A b b i I dun g 5 A b b i I dun g 6
Algenkulturen in Essen in offenen Gräben
durchbohrte Kunststoffrohre, durch die ein mit CO2 angereicherter Luft
strom (1 - 2 m3/100 I Suspension·h, 0,3 bis 1,0 Vol.% C025) in die
Kultur geblasen wird, der sowohl die Turbulenz erzeugt als auch die Al
gen mit CO2 versorgt [10,16,17J. - Wesentliche Vorteile dieses Systems
liegen in der einfachen Handhabung und der - im Vergleich zum geschlos
senen System - größeren Haltbarkeit der Kulturgefäße. Auch kann auf
eine Kühlung der Kulturen in den Sommermonaten verzichtet werden. Ferner
stellte TAMIYA, der Algen nach der geschlossenen Zirkulationsmethode
und diesem Verfahren kultivierte, fest, daß die für die CO -Zufuhr und
2
die Turbulenzerzeugung notwendige Energie nur 1/5 derjenigen beträgt,
die das geschlossene System bei gleichem Kulturvolumen erfordert t30J.
- Da hier aber offene Behälter verwandt werden, sind die KUlturen für
Luftverunreinigungen, wie z.B. Staub, zugänglich. TAMIYA schlägt daher
vor, die Kulturbehälter in bestimmten Zeitabständen zu reinigen [30J,
was auch bei kleineren Kulturen möglich ist, bei großen Behältern und
großen Suspensionsmengen jedoch auf Schwierigkeiten stößt. Dagegen
5. Die in den letzten Jahren bei den verschiedenen Versuchen verwandten
CO -Konze~trationen lagen zwischen 0,3 - 1,0 VOl.% CO2, wobei keine
Unterschiede in der Substanzproduktion festgestellt wurden. DAVIS u.
Mitarb. fanden in dem Bereich von 0,56 - 4,43 Vol.% keine Unterschiede
[7J
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