Die Weltbevölkerung wächst. Die Sicherstellung unserer

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1 Saarbrücken, 5. Juni 2012 INHALT MARIKULTUR SAAR 5 ARTESS 17 FLUID-KREISLAUF 7 MESTER+ 20 LANDMARK 11 NEUE ARTEN 22 KEPHALOS 14 ENALGAE 25 FITT DURCH TRANSFER 16 MEERESFISCHZUCHT 26 INFORMATIONEN AUS LEHRE UND FORSCHUNG DER HTW von Uwe Waller Aquakultur weitet sich aufgrund der Überfischung der natürlichen Bestände aus. Der Fischereidauerertrag, so wird erwartet, kann den Bedarf der Weltbevölkerung nicht mehr decken. Das nicht hinreichende Management der Fischbestände und die nur schwer abschätzbaren Folgen des globalen Wandels können diesen Trend verstärken. Die Europäische Kommission weist auf diese Unsicherheit hin. Fischindustrie und Fischhandel setzen auf Produkte aus Aquakultur, die der Nachfrage folgend, intensiver und ohne neue Technologie nicht ohne Folgen für die Umwelt produziert. Der Beitrag der Aquakultur zur globalen Versorgung erfordert verbesserte Technik. Der Technisierungsgrad der Aquakultur muss zunehmen, damit Aquakultur unsere Ressourcen nicht überlastet und sich selbst die Grundlage entzieht. Das Beispiel der Fischerei ist ein Warnsignal. Aquakultur darf diesen Weg nicht gehen x x x x Versorgung [kg/(individuum x a)] Ertrag [t] Ertrag Fischerei (t) Ertrag Aquakultur (t) Fischerei berechnet (t) Aquakultur berechnet (t) Weltbevölkerung Versorgung der Weltbevölkerung durch Fischerei und Aquakultur Weltbevölkerung Daten: Food and Agriculture Organisation und Department of Economic and Social Affairs der United Nations 9x10 9 8x10 9 7x10 9 6x10 9 5x10 9 4x10 9 3x10 9 2x10 9 Bild 1: Das Wachstum der Weltbevölkerung und die Versorgung mit Fischen, Krebs- und Weichtieren aus der Fischerei und aus der Aquakultur. Die obere Grafik zeigt die globale Versorgung. Die Weltbevölkerung wächst. Die Sicherstellung unserer Er nährung sowie die Versorgung mit Rohstoffen und Energie ist eine globale Aufgabe, für die neue Konzepte erarbeitet und validiert werden müssen, bevor irreversible Veränderungen eintreten und die Versorgung grundsätzlich in Frage stellen. Insbesondere biologische Systeme sind empfindlich und anfällig und erfordern die Anwendung des Vorsorgeprinzips. Ein warnendes Beispiel ist die nicht nachhaltige Fischerei, die heute die Versorgung nicht mehr sichern kann. In dieser Situation ist die Entwicklung der Aquakultur einerseits wichtig, andererseits unterliegt sie Erwartungen, die konventionelle Konzepte nicht realisieren können. Die Aufgabe der Aquakultur scheint in Zukunft einer einfachen Arithmetik zu folgen. Die Fischereierträge stagnieren seit den 1990er Jahren, womit sich mit der wachsenden Weltbevölkerung von Jahr zu Jahr ein größeres Versorgungsdefizit ergab. Die Aquakultur hat seitdem zur Versorgung der Weltbevölkerung beigetragen (Bild 1, unten). Nach den letzten Zahlen der FAO landete die Fischerei im Jahr 2009 insgesamt 89 Millionen Tonnen Fische, Krebs- und Weichtiere an. Die Aquakultur produzierte in demselben Jahr 56 Millionen Tonnen, sodass pro Kopf der Weltbevölkerung 21 kg Fische, Krebs- und Weichtiere aus Fischerei und Aquakultur zur Verfügung standen (Bild 1, oben). Schreibt man diese Versorgungsmenge fort, ergeben sich bei weiterhin konstant 89 Millionen Tonnen Erträgen aus der Fischerei jährlich zunehmende Erträge für die Aquakultur, um die wachsende Weltbevölkerung zu versorgen. Demnach muss im Jahr 2026 die Aquakultur

2 - 2 - ebenso viel produzieren wie die Fischerei aus den Flüssen, Seen und Meeren anlanden kann. Eine Aufgabe mit großen Herausforderungen. Die Fischerei und damit die Versorgungssicherheit ist mit hohen Risiken behaftet. Die Forderung der Europäischen Kommission nach einer geringeren Befischung von Beständen, um in Zukunft wieder den höchstmöglichen Fischereidauerertrag zu erreichen, ist praktisch nicht umsetzbar. Die Standpunkte sind diametral, sodass von der Europäischen Kommission nicht erwartet wird, dass sich diese in Bezug auf die Versorgungssicherheit kriti- Prozent der untersuchten marinen Fischbestände 50 besondere die fischereilich bedingten unzureichenden Altersstrukturen, vielen Beständen keine Stabilität mehr bieten. In dieser Situation ist es naheliegend, eine Alternative zur Deckung der Versorgungslücke zu entwickeln. Ein Lösungsweg, die Intensivierung der Aquakultur wie in Bild 1 angedeutet, erscheint einfach, betrachtet aber die Situation aus einem Blickwinkel, der unberücksichtigt lässt, dass Fische, Krebs- und Weichtiere in den natürlichen Systemen Teil der globalen Kreisläufe sind, die sich im Verlauf der Evolution entwickeln und an die verfügbaren Ressourcen anpassen. Die Produktion in natürlichen Systemen unterliegt einer kontinuierlichen, dynamischen Anpassung und ist systembedingt nachhaltig. Aufgrund der von der Wirtschaft forcierten, zunehmenden Intensi voll genutzt 10 nicht voll genutzt oder moderate befischt überfischt, erschöpft, regenerierend Quelle: FAO, The State of World Fisheries and Aquaculture 2010 Bild 3: Netzkäfigfarm für die Zucht von Fischen vor der italienischen Küste. Von dem Versorgungsboot aus werden die Fische mit pelletierten Futter gefüttert. Courtesy of FAO Aquaculture Photo Library. Die Probleme der Fischerei in der Europäischen Union lässt sich anhand des Beispiels des Nordostatlantiks nüchtern darstellen (Bild 2). Ein Drittel der Fischbestände werden außerhalb sicherer Grenzen befischt. Die Hälfte der Bestände wird voll genutzt. Der Anteil der Bestände, die nicht voll genutzt werden, hat auf ein Fünftel abgenommen. Die Überfischung hat deutliche Auswirkungen. Es ist zu befürchten, dass die Bestandsstrukturen, ins- Bild 2: Beurteilung der Bestandssituation fischereilich genutzter Bestände im Nordostatlantik und den angrenzenden Gewässern (SOFIA 2010). sche Situation absehbar ändern wird. Fehlmengen müssten schon heute durch Aquakultur ausgeglichen werden und die nachhaltige Entwicklung der Aquakultur, auch im kleinen Maßstab, muss unterstützt werden, sind die Forderungen. Die «Bremerhaven Declaration» eines Industrie-gesponsorten Expertenforums geht davon aus, dass selbst eine optimal bewirtschaftete Fischerei den Bedarf nicht mehr decken wird. Bild 4: Teichanlage für die intensive Produktion von marinen Garnelen im Indischen Ozean. Das Seewasser wird aus dem Meer in die Teiche gepumpt und aus den Teichen ungeklärt in den Ozean zurückgeleitet. vierung fehlt der Aquakultur dieses Gleichgewicht. Konventionelle Aquakultur produziert in kleinen, künstlichen Lebensräumen; sie ist, wie viele Produktionsverfahren, eine Punktquelle, die Belastungen in die Umwelt abgibt. Die Beeinflussung der Umwelt durch konventionelle Aqua kulturverfahren, wie zum Beispiel durch Netzkäfige (Bild 3) oder durch Teiche (Bild 4), ist bekannt: Biogeochemische Veränderungen (Hydrosphäre) Sedimentation Nährstoffeintrag Kontamination Gefährdung der Biosphäre (Ökosysteme) Übertragung von Krankheitserregern Übertragung von fremden Arten Einfluss auf Räuber/Beute Beziehungen Einfluss auf den natürlichen Genpool Beeinflussung des Land- und Wasserraums Sichtbare Beeinflussung (Tourismus) Gefährdung des Schiffverkehrs Hafenbau und Industrieansiedlung Die Liste könnte verlängert werden. Es ist offensichtlich, dass die Gefahren für die Gewässer, die von konventionellen Aquakulturen ausgehen können, in Hinblick auf die Erhaltung der natürlichen Lebensräume und Ökosysteme relevant sind. Besondere Vorsicht ist also notwendig, um Umweltschäden ausschließen zu können.

3 Gefahren drohen aber auch von anderer Seite. Extreme meteorologische und hydrologische Ereignisse (Sturm, Wellen, Sturmfluten), industrielle (Ölunfälle, Kernreaktorunfälle) oder biogene Gefahren (giftige Planktonblüten, gelatinöses Plankton) können in den konventionellen Verfahren der Aquakultur weder strukturell, noch konstruktiv oder prozesstechnisch beherrscht werden. Die Ursache biogener Gefahren können auf den Umwelteinfluss von Aquakulturen zurückgeführt werden. Konventionelle Verfahren der Aquakultur erhöhen durch ihren Umwelteinfluss unter Umständen das Betriebsrisiko. Nach der stürmischen Entwicklung der Aquakultur, bei der Aspekte der Nachhaltigkeit oft vernachlässigt wurden, steht die Aquakultur heute vor einem Paradigmenwechsel: Ressourcenverbrauch und Umweltgefahren können technisch beherrscht werden. Moderne, kreislaufgeführte Verfahren der Aquakultur (FLUID-KREISLAUF) ermöglichen eine Entkoppelung von der Umwelt. Kreisläufe sind aus wirtschaftlichen und umweltrechtlichen Gründen heute Stand der Technik in vielen unterschiedlichen Produktionsprozessen. Die Biotechnik des Fluid-Kreislaufs wird in der Aquakultur zu folgenden Zielen beitragen: Umweltschutz durch Entkoppelung von der Umwelt. Verbraucherschutz durch Vermeidung von Kontamination und Sicherstellung der Nachverfolgbarkeit. Lebensmittelsicherheit durch kontrollierte und überprüfbare Produktionsabläufe. Produktionssicherheit durch optimal an die Biologie angepasste Verfahren und Vermeidung von Umweltgefahren. Breites Portfolio durch wählbare Einstellung der Umweltbedingungen. Nachhaltigkeit durch Stoffverwertung und Energierecycling. Ressourcenschutz durch Reduktion des Flächenbedarfs, des Wasserverbrauchs und durch den effizienten Einsatz von Futtermitteln. 50x x x x x Ertrag der Binnenfischerei [ t ] Quelle: Fisch-Informationszentrum (FIZ) e.v., Hamburg Bild 5: Die Binnenfischerei in der Bundesrepublik Deutschland Diese Aspekte haben wichtige Schnittmengen zu einer nachhaltigen, sozialen und wirtschaftlichen Entwicklung. Sie werden sicherstellen, dass Aquakultur nicht in eine Sackgasse steuert und als Versorgungsalternative ausfällt x x x x x x Nordsee Ostsee Nordostatlantik Pazifik Quelle: Fisch-Informationszentrum (FIZ) e.v., Hamburg Mauretanien Unbenannt Bild 6: Die Seefischerei der Bundesrepublik Deutschland Mit dem Blick auf die Versorgungslage wird deutlich, wie wichtig die Entwicklung einer nachhaltigen Aquakultur ist. Die Bilder 5 und 6 zeigen die Versorgungslage der Bundesrepublik Deutschland. Die Binnenfischerei in Deutschland zeigt konstante Anlandungen. Sie scheint an der Grenze ihrer Kapazität, liefert aber einen kontinu [ 1000 t Fanggewicht] [ % ] Jahr vs Eigenversorgung Eigenversorgung Einfuhr Quelle: Fisch-Informationszentrum (FIZ) e.v., Hamburg Bild 7: Die Versorgung in der Bundesrepublik Deutschland ierlichen Beitrag. Die Anlandungen aus unseren typischen Fanggebieten der Seefischerei zeigen dagegen einen abnehmenden Trend. Das Defizit wird zu einem Teil mit Anlandungen aus fremden Fischereigebieten ausgeglichen, die, wie die Daten in Bild 6 zeigen, nicht unbedingt dauerhaft befischt werden können. Marine Fischereiprodukte werden auf dem deutschen Markt knapp, aber nachgefragt sein, was aus den eigenen Fischereierträgen und den Importen abgeleitet werden kann (Bild 7). Die Eigenversorgung in Deutschland betrug bei steigendem Konsum von Fischereiprodukten im Jahr 2010 nur noch 13%. Es ist anzunehmen, dass die geringe eigene Versorgung aus der Fischerei zu deutlichen Engpässen im Bereich der Frischprodukte führen wird, werden nicht in erheblichem Umfang und über lange Transportwege Frischwaren importiert. Dieser Lebensmittelsektor könnte in Deutschland

4 Bild 8: Doraden, Sparus auratus, in einem Netzkäfig vor der italienischen Mittelmeerküste. Courtesy of FAO Aquaculture Photo Library. durch Aquakultur nachhaltig versorgt werden. Da vorwiegend marine Fische, Krebs- und Weichtiere ausfallen, ist die Entwicklung einer nachhaltigen Meeres-Aquakultur, der Marikultur, notwendig. Aquakultur entlang der deutschen Küsten ist aus den Gegebenheiten heraus nicht einfach. Die Schwierigkeiten liegen zum Beispiel in Interessenskonflikten mit den Nutzern des Küstenraums. Die notwendige Ausweitung von Meeresschutzgebieten zur Stützung der Rekrutierung natürlicher Fisch, Krebs- und Weichtierbestände schließt Aquakultur an vielen Standorten aus. Eine Möglichkeit zur Nutzung deutscher Seegebiete für die Aquakultur/Marikultur ist die Verlagerung der Standorte in exponierte Bereiche außerhalb der Küsten. Aquakultur auf den Meeren vermindert die Risiken küstennaher Standorte. Sie ist aber mit einer Reihe von Schwierigkeiten behaftet, die die Risiken der Zugänglichkeit bei extremen hydrologischen oder meteorologischen Bedingungen, der Sicherheit von Schifffahrtswegen oder der Vermeidung von Umweltgefahren umfassen. Meeresaquakultur erfordert eine sorgfältige Auswahl von Standorten, die ausreichende Tragfähigkeit zum Beispiel in Hinsicht auf Nährstoffeinträge haben. Eine interessante Entwicklung stellen deshalb integrierte Aquakulturen dar, in denen Reststoffe verwertet werden können. Gelöste Nährstoffe werden zum Beispiel von Meerestangen und partikuläre Reststoffe von Filtrieren, zum Beispiel Muscheln, verwertet. Die technische Herausforderung ist die Zuleitung der Reststoffe mit der Strömung Die Marikultur benötigt weitreichende Infrastruktur. Im Meer sind es große Netzkäfige (Bild 8 und 9), die über alle notwendigen technischen Einrichtungen zum Beispiel für das Umweltmonitoring, die Fütterung und die Fernüberwachung der Tiere verfügen müssen. Arbeitsboote, die für das Personal, den Materialtransport und die Abfischung gebraucht werden, werden zwischen spezialisierten Hafenanlagen und den Meeresaquakulturen manövrieren. Die Versorgungshäfen benötigen nicht nur Raum für die Lagerung von Futtermitteln und Material, hier müssen auch die notwendigen Setzlinge produziert werden, die erst ab einer bestimmten Größe in die Netzkäfige gesetzt werden können. Dafür werden Anlagen benötigt, die eine biosichere Haltung von Elterntieren und die Aufzucht von Setzlingen garantieren. Ein typisches Anwendungsgebiet für Fluid-Kreisläufe, die aufgrund ihrer Technik unter biosicheren Bedingungen arbeiten können. Dieses Zusammenspiel von unterschiedlichen Techniken wird an der HTW verfolgt und speziell im Bereich der Fluid-Kreisläufe experimentell erprobt, die als einziges Verfahren der Aquakultur gegenüber der Umwelt abgeschlossen sind. Bildmaterial: IMARE Institute for marine resources Bild 9: Eine Zukunftslösung der deutschen Meeresaquakultur könnte in den Windparks vor der Küste liegen. Darstellung einer Projektidee des IMARE Institute for marine resources, Bela H. Buck, Bremerhaven. Die Ausbildung und die Forschung und Entwicklung der marinen Aquakultur wird in Deutschland an vier Standorten durchgeführt. Die unterschiedliche wissenschaftliche Ausrichtung an den Standorten ermöglicht eine gemeinsame und damit umfassende Bearbeitung von Fragestellungen. Damit hat die Marikultur in Deutschland eine hervorragende Ausgangsposition, wichtige Entwicklungsschritte schnell und sicher zu erreichen. Wichtig ist die Umsetzung, der Technologietransfer in Unternehmen. Eine sachbezogene Förderung von Zukunftstechnologie ist dafür unabdingbar. Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Prof. Dr. Carsten Schulz Hochschule Bremerhaven Prof. Dr. Bela. H. Buck Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes Prof. Dr. Uwe Waller Universität Rostock Prof. Dr. Harry Palm

5 - 5 - MARIKULTUR SAAR Entwicklung und Umsetzung einer neuen, nachhaltigen Technologie Wolfgang Cornetz, Jochen Dahm 1, Klaus Lorig, Klaus Kimmerle, Martin Sander 2, Uwe Waller, Bert Wecker 3 Mit den sich verschlechternden Erträgen aus der Fischerei rückt die marine Aquakultur, die Marikultur, Prozessvariablen. Die Ingenieurwissenschaften definie- übertragen. Sie definiert Parameter und kontrolliert die in den Fokus. Für die Sicherstellung der Ernährung ist es ren Verfahren, Prozessketten und entwickeln Steuer- und notwendig, die Marikultur auszubauen, um die Versorgung mit Fischen, Krebs- und Weichtieren zu verbessern. einem intensivem Wissenstransfer und sind eng mitein- Regelkonzepte. Forschung und Entwicklung basierten auf Zu deutlich aber sind die Risiken einer unkontrollierten, ander verknüpft. In kurzer Zeit entstand der erste funktionsfähige Fluid-Kreislauf, der im Verlauf von 10 Jahren nicht nachhaltigen Entwicklung. Neue Biotechniken, die Kombination verschiedener Verfahren sind Voraussetzung, um Marikultur in Deutschland, Europa und weltweit wurde. Forschung und Entwicklung zur Systemreife entwickelt auszubauen. Der Fluid-Kreislauf (Bilder 1 und 2) hat besondere Potentiale, die genutzt werden müssen. werden: Die Vermittlung des erarbeiteten Wissens, Für lange Zeit konnten wichtige Aspekt nicht umgesetzt um Bild 1: Der semi-kommerzielle Fluid-Kreislauf «PISA» für die Produktion von Wolfsbarsch, Dicentrarchus labrax, und Dorade, Sparus auratus, bei der Erwin-Sander Elektroapparatebau GmbH. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt «PISA», Poly- Integrierte SeewasserAquakultur, war die erste Produktionsanlage, in der unter marktwirtschaftlichen Aspekten Seefisch im Binnenland bei Hannover gezüchtet wurde. Der Fluid-Kreislauf, d.h. die Biotechnik und der Betrieb, wurde in Deutschland lange Zeit allein dem Bereich der Biologie zugeordnet. Fehlschläge waren häufig die Folge. Erst eine andere Sichtweise und ein veränderter Ansatz, die enge wissenschaftliche Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren und Naturwissenschaftlern, brachten den Durchbruch. Unterschiedliche Denkansätze und Sprachmodelle wurden harmonisiert, um die anstehenden Entwicklungsaufgaben zu bewältigen. Der Biologie wurde die Verantwortung für die Auslegung der Prozesse Bild 2: Blick in den Fischtank des «PISA» Fluid-Kreislaufs mit Wolfsbarsch, Dicentrarchus labrax. Aufgrund der hohen Güte und der Klarheit des Prozesswassers können Meerestiere mit hohen Ansprüchen an ihren Lebensraum gehalten werden. Ingenieure und Naturwissenschaftler fit für die neue Biotechnik zu machen, war einer dieser Aspekte. Ein zweiter Aspekt war die Umsetzung der Ergebnisse in eine kommerzielle Anlage. Das Projekt «Marine Fischzucht Völklingen» brachte den Durchbruch. Die Stadt Völklingen mit ihren Stadtwerken suchten Möglichkeiten, ein Industriegebiet zu reaktivieren, um mit einer modernen Industrie den Strukturwandel zu unterstützen. Neue Perspektiven und neue Arbeitsplätze in einer Zukunftstechnologie zu schaffen, waren das Ziel. Nach einer intensiven Überprüfung wurde beschlossen, das Projekt «Marine Fischzucht Völklin-

6 gen» zu entwickeln. Dazu sollten auch die intellektuellen Kräfte am Standort konzentriert werden. Die Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (HTW) sah in dem Projekt, wie zuvor schon in anderen Gebieten, eine zukunftsweisende Erweiterung des Portfolios. Die Landesregierung des Saarlandes unterstützte das Projekt und richtete gemeinsam mit den Stadtwerken Völklingen eine Stiftungsprofessur an der HTW ein. Forschung und Entwicklung bekamen wieder notwendige Freiheitsgrade, die Zukunftstechnologie «Fluid-Kreislauf» weiter zu entwickeln Aquakultur, die Forschung und Entwicklung des Fluid- Kreislaufs, ist heute das Gebiet von Fachwissenschaftlern des Instituts für Physikalische Prozesstechnik (IPP) an der HTW (Bild 5). Das IPP als interdisziplinär aufgestelltes Institut ist in der Lage, wissenschaftliche Paketlösungen zu erarbeiten. Kurzfristig wirksame Projekte, die im IPP bearbeitet werden, sind zum Beispiel das Projekt MES- TER+ oder ARTESS, die zu einer Verbesserung der Prozessführung und dem Wirkungsgrad einzelner Komponenten beitragen. NEUE ARTEN, das heißt, die Entwicklung von Zuchtprotokollen und Prozessparametern für die Zucht von Fischen, Krebs- und Weichtieren sind wichtige Maßnahmen mit unmittelbarer Wirkung zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Fluid-Kreislaufs. Bild 3: Experimenteller Fluid-Kreislauf für die Ausbildung und die Forschung und Entwicklung in der Forschungshalle Völklingen. Heute, nach drei Jahren, arbeitet die Arbeitsgruppe aus Naturwissenschaftlern und Ingenieuren an der Weiterentwicklung der Biotechnik des Fluid-Kreislaufs. Die Stadtwerke Völklingen unterstützen die Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes mit einem Ausbildungsund Forschungsstandort, der Forschungshalle Völklingen (Bilder 3 bis 6). Auf einer Fläche von 400 Quadratmetern werden heute Verfahren erprobt und verbessert. Bild 5: Experimentelle Anlagen, die unter anderem für die Projekte MESTER+ und LANDMARK gebraucht werden, sind in unmittelbarer Nähe zueinander in der Forschungshalle Völklingen aufgebaut. Ein breites Entwicklungsfeld ist die Verbesserung der Stoff- und Energieeffizienz von Fluid-Kreisläufen. Durch die Koppelung einer Produktionsanlage (primärer Kreislauf) mit sekundären Modulen, zum Beispiel Mikroalgen- oder Pflanzenreaktoren (sekundärer Kreislauf) kann zukünftig die Ressourcennutzung verbessert und der Umwelteinfluss weiter reduziert werden. Die Projekte LAND- MARK (Bild 6) und KEPHALOS befassen sich mit diesen neuen Biotechniken, die als zusätzlicher Kreislauf in Fluid- Kreisläufe integriert werden können. Bild 4: Projektbesprechung mit Mitarbeitern und Studenten vor einem Photobioreaktor für die Zucht von Mikroalgen. Bild 6: Photobioreaktoren für die Mikroalgenproduktion, die mit Prozesswasser aus einem primären Fluid-Kreislauf beschickt werden.

7 - 7 - Uwe Waller, Jochen Bauer, Gerhard Braun, Anneliese Ernst, Benedikt Faupel, Verena Hanke, Klaus Kimmerle, Andreas Kulakowski, Jaime Orellana, Karin Sander 2, Martin Sander 2, Benjamin Schmitt, Bert Wecker 3 Nachhaltige Aquakultur von Fischen, Krebstieren und Weichtieren wird in Zukunft in zunehmendem Maß in geschlossenen Systemen, in Fluid-Kreisläufen, erfolgen (Bild 1). Diese Notwendigkeit ergibt sich aus drei grundlegenden Überlegungen: 1 Die negativen Wirkungen von konventionellen Verfahren der Aquakultur, zum Beispiel Teiche, Becken oder Netzkäfige, auf die Umwelt sind verfahrensimmanent und weitreichend. 2 Der Einfluss der Umwelt auf Aquakulturen nimmt durch extreme Umweltereignisse, aufgrund der allgemein zunehmenden Umweltbelastung und als Folge globaler und ökosystemarer Veränderungen stetig zu. 3 Aquakultur muss aus ethischer Sicht und zur Vermeidung von Produktionsverlusten beste Lebensbedingungen für die Organismen vorhalten, die entlang der Meeresküsten, zum Beispiel durch zu hohe Wassertemperaturen, giftige Planktonblüten oder Sauerstoffmangel, nicht mehr gegeben sind. Aquakulturen sind also einerseits Stoff- und Energiesenken durch den Stoffwechselbedarf und das Wachstum der Tiere, andererseits sind sie Quellen, da nicht verwertete Stoffe in das Wasser abgegeben werden. Das ist systemimmanent. Konventionelle Verfahren, die mit der Umwelt in Verbindung stehen, entlassen diese Stoffe in die Umwelt. Fluid-Kreisläufe moderner Bauart sind nahezu geschlossene Produktionssysteme, in denen Stoffe kontrolliert verwertet werden können. Ökosysteme werden vor Umwelteinträgen geschützt g Futter 450 g Sauerstoff Wolfsbarsch 1000 g Zuwachs 750 g Feststoff 600 g Kohlenstoffdioxid 75 g Stickstoff 15 g Phosphor Bild 1: Der erste Prototyp, PISA (PolyIntegrierte Seewasser Aquakultur), eines Fluid-Kreislaufs für die Zucht mariner Organismen bei der Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH, Uetze-Eltze. Aquakultur erfordert, um die Produktion zu optimieren, die regelmäßige und ausreichende Zufuhr von Futter. Das Futter ist industriell gefertigt und konfektioniert. Es führt in konzentrierter Form organische und anorganische Stoffe zu, die in Stoffwechselprozessen der Fische, Krebsoder Weichtiere nur zu einem gewissen Grad verwertet werden (Bild 2). Bild 2: Ein vereinfachtes Stoffstromdiagramm für den Wolfsbarsch (Dicentrarchus labrax). Er wächst mit 1500 g Futter auf ein Körpergewicht von 1000 g. Für den Stoffwechsel benötigt der Fisch 450 g Sauerstoff. Als Endprodukte des Stoffwechsels verbleiben Feststoffe, Reste von Futter und Faeces, die partikulär in das Wasser abgegeben werden. Ebenso werden Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Phosphor in gelöster Form abgegeben. Unter den Bedingungen der Aquakultur ist die Stoffwechselaktivität der Tiere, die Futteraufnahme, der Sauerstoffverbrauch und die Exkretion maximal. Im künstlichen Lebensraum, das Prozesswasser in einem Fluid-Kreislauf, akkumulieren partikuläre und gelöste Stoffe. Der Wasserkreislauf ist in sich geschlossen, sodass nur durch eine kontinuierliche Aufbereitung optimale Lebensbedingungen aufrechterhalten werden können. Aus diesem Grund liegt folgende grundlegende Überlegung der Entwicklung des Fluid-Kreislaufs zugrunde: Tiere, die in einem Lebensraum eingeschlossen werden, können einer sich verändernden Umwelt nicht ausweichen. Verändert sich die Umwelt, zum Beispiel die Wasserqualität im Fluid-Kreislauf, kann Stress zu Wachstumsdepression führen und das Überleben der Tiere gefährdet

8 sein. Lebensbedingungen, die anhand der Biologie und Physiologie der Tiere festgelegt werden, sind Voraussetzung für die Funktion eines Fluid-Kreislaufs Produktionsbecken Physikalischchemische Konditionierung Biofilter Denitrifikation Flächenfilter Flächenfilter Biofilter Nitrifikation Flotation Bild 3: Prinzipieller Aufbau eines Fluid-Kreislaufs nach dem mit der Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH und neomar erarbeiteten Konzept. Für aquatische Lebewesen ist der Lebensraum Wasser gleichzeitig auch Entsorgungsweg. Für eine sichere Funktion eines Fluid-Kreislaufs ist die Betriebssicherheit der Verfahren und Prozesskette Voraussetzung. Der Automatisierung kommt eine Schlüsselfunktion zu. Die Verfahren in Fluid-Kreisläufen müssen Interaktionen zwischen dem in der Haltung befindlichem Organismus und der künstlichen Umwelt ausbalancieren. Dazu gehören: 1 Interaktionen mit der Wasserqualität (Temperatur, Säure/Basengleichgewicht, Konzentrationen von Gasen und gelösten Stoffen, Feststofffrachten, ) 2 Interaktionen zwischen den in Haltung befindlichen Organismen (Verhalten, Aggression, Verteidigung, ) 3 Interaktionen mit Routinearbeiten (Fütterung, Sortierung, Reparatur und Wartung,...) In Bild 3 ist das Prinzip eines Fluid-Kreislaufs dargestellt. Das Schema erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder technische Detailtreue. Es dient zur Verdeutlichung der im Folgenden beschriebenen Verfahren und Prozesse. Die Wasseraufbereitung in einem Kreislaufsystem erfolgt, mit Ausnahme spezieller Komponenten, die im Nebenstrom betrieben werden, in einer seriellen Anordnung der einzelnen Behandlungsstufen im Haupt-Prozesswasserstrom. Der erste Schritt ist die Entfernung von Feststoffen aus dem Prozesswasser, die die Fischgesundheit beeinträchtigen würden. Im Wasser verteilte Partikel sind Substrat für Bakterien (Bild 5). Eine ungenügende Entfernung aus dem Prozesswasser führt zu sekundären mikrobiologischen Prozessen im Produktionstank und der Wasseraufbereitung. Diese sekundären biologischen Prozesse stellen aufgrund ihrer Nicht-Kontrollierbarkeit eine potentielle Bild 4: Der Trommelfilter zur Entfernung partikulärer Feststoffe aus dem Prozesswasser (oben). Blick in die Trommel des Filters, die typischerweise mit einer Gaze mit einer Maschenweite von µm bespannt ist (unten). Problemquelle in der Prozesskette dar. Feststoffe werden in einem ersten Schritt zum Beispiel mit einem Trommelfilter entfernt (Bild 4). Die Größenverteilung der Partikel in Fluid-Kreisläufen ist in den Bereich der Feintrübe mit Partikelgrößen kleiner 30 µm verschoben. Das bedeutet, dass der Trommelfilter, nur einen Teil der partikulären Feststoffe erfassen kann. Unter Umständen entstehen im mechanischen Filtrationsprozess im Trommelfilter sogar eine Vielzahl kleinerer Partikel. Moderne Fluid-Kreisläufe verfügen deshalb über mehrstufige Feststoffseparationen, die das Prozesswas- Bild 5: Rastermikroskopische Aufnahme eines substratgebundenen Biofilms (Bakterien) aus einem Fluid-Kreislauf für Zucht von Fischen.

9 - 9 - tät im Kreislauf beeinträchtigen kann. Die Prozesskette ist entsprechend ausgelegt und sieht eine zweite Flächenfiltration (Trommelfilter) nach dem Biofilter vor. Bevor das Prozesswasser zurück in den Produktionstank fließt, werden die Sauerstoffsättigung, die Kohlenstoffdioxidkonzentration (Bild 8), das Säure/Basengleichgewicht, die Temperatur und der Salzgehalt eingestellt. Die Planung von Fluid-Kreisläufen muss insgesamt darauf ausgerichtet werden, eine stabile Systemfunktion durch biologische Gleichgewichte zu erreichen. Das alleine reicht aber nicht aus. Die Mess- und Regeltechnik ist für die Kontrolle und die Regelung kritischer Prozesse im Betrieb unabdingbar. Modellbasierte prädiktive Regelung und Konzepte der statistischen Prozesskontrolle werden implementiert, um über den Produktionsprozess die Lebensbedingungen aufrecht zu erhalten, die den typischen Bedingungen der Tiere in ihrem natürlichen Lebensraum entsprechen. Die Prozesskontrolle muss darauf abzielen, dass nicht nur Einzelprozesse singulär geregelt werden, sondern auch Abhängigkeiten zwischen Prozessen bei der Automatisierung Berücksichtigung finden. Durch die stringente Ausarbeitung der Prozesskette, die detaillierte Auslegung von Verfahren und die Konstruktion der Anlagen, wurde erreicht, dass das notwendige Wasservolumen, das täglich dem Kreislauf zugeführt werden muss, heute unterhalb einem Prozent des Systemvolumens liegt. Es wird mit dem hier verfolgten Konzept kein Wasser mehr ausgetauscht, sondern es werden nur Bild 6: Die Flotation zur Entfernung von Trübstoffen aus dem Prozesswasser. Gezeigt wird eine Standardkomponente, der Helgoland 500 Eiweißabschäumer, der Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH. ser von Partikeln und Trübstoffen befreien. Im Seewasser wird ein Flotationsverfahren nach dem Prinzip gegenläufiger Zweiphasenströme (Fluid/Luft), der sogenannte Eiweißabschäumer, eingesetzt (Bild 6). Eiweißabschäumer werden zur oxidativen Aufbereitung des Prozesswassers mit Ozon betrieben. Ozon unterstützt die Entfernung von gelöster organischer Substanz, indem es Makromoleküle oxidiert und dem mikrobiellen Abbau zugänglich macht. Nach der Feststoffseparation wird im aeroben biologischen Filter (Bild 7) das Endprodukt des Stickstoffstoffwechsels Ammoniak bzw. Ammonium zu Nitrit und in einem zweiten Schritt zum Nitrat abgebaut (Nitrifikation). Ammonium und Nitrit sind toxische Verbindungen. Nitrat ist in erster Näherung ungiftig und stellt erst bei sehr hohen Konzentrationen im Prozesswasser ein Problem dar. Die Effizienz der aeroben Biofiltration (Nitrifikation) hängt von der Vorbehandlung des Prozesswassers ab. Der Abbau der organischen Belastung durch kontinuierliches und unmittelbares Entfernen des partikulären und gelösten Kohlenstoffs aus dem Prozesswasser hat einen positiven Effekt auf die Leistungsfähigkeit der Nitrifikation. Problematisch bei allen Typen von Biofiltern ist die anfallende Bakterienbiomasse, die signifikant die Wasserquali- Bild 7: Der Biofilter. Der Abbau von Ammonium/Ammoniak zu Nitrit und Nitrat erfolgt unter aeroben Bedingungen durch Bakterien, die auf Biokörpern Biofilme ausbilden (Bild 5).

10 die Wassermengen ersetzt, die zum Beispiel durch die Abscheidung der Feststoffe verloren gehen. Spezielle Rückgewinnungsverfahren lassen Fluid-Kreisläufe für die Aquakultur von Fischen, Krebs- und Weichtieren zu einem quasi geschlossenen Kreislauf werden. Am Ende entscheidet aber das Entsorgungskonzept über die Funktionsfähigkeit des Kreislauf-Konzepts: Ein Fluid- Kreislauf ist nur dann ein gegenüber der Umwelt abgeschlossenes System, wenn auch die Entsorgungswege für Reststoffe dargestellt sind. Ein besonderer Aspekt mit immenser Bedeutung für die Nachhaltigkeit ist dementsprechend das Stoff- und Energierecycling. Wie in Bild 2 dargestellt, werden 1500 g Futtermittel für die Produktion von 1000 g Fisch benötigt. Zur Bereitstellung der notwendigen Stoffwechselenergie (Energiewandlung) werden 450 g Sauerstoff aus dem Wasser aufgenommen Im Produktionsprozess entstehen 500 g Feststoffe, die zum Teil, da sie im Wasser vorliegen, in Lösung gehen. Generell scheiden die Fische Stickstoff (75 g), Phosphor (15 g) und Kohlenstoffdioxid (650 g) in das Wasser aus, wobei die Stoffflüsse nicht nur in Bezug auf die Wasserqualität des Prozesswassers signifikant sind. Ein Fluid- Kreislauf ist nur so lange in sich geschlossen und wirklich von der Umwelt abgetrennt, solange das Prozesswasser im Kreislauf verbleibt. Wird Prozesswasser in die Umwelt abgegeben, wie bei verschiedenen konventionellen Kreislauftechniken, werden die im Wasser gelösten Stoffe, die im Prozesswasser kumulieren, also höhere Konzentrationen aufbauen, in die Umwelt abgegeben. Das bedeutet, dass in jedem Fluid-Kreislauf den Quellen entsprechende Senken gegenübergestellt werden müssen, wie in den folgenden Kapiteln dargestellt werden wird. Bild 8: Mit einem energiesparendem Verfahren, einem Luftheber, wird Luftsauerstoff in das Wasser eingetragen und Kohlenstoffdioxid aus dem Prozess entfernt. Die Technologie des Fluid-Kreislaufs wird an der Hochschule für Technik und Wirtschaft im Rahmen der Ausbildung von Studenten entwickelt. Praktika, Praxisphasen und Examensarbeiten sind ein unverzichtbarer Motor für die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, die am Institut für Physikalische Prozesstechnik in interdisziplinärer Zusammenarbeit durchgeführt werden. Bild 9: Blick in die Forschungshalle Völklingen der Stadtwerke Völklingen, in der die Arbeitsgruppe der Hochschule für Technik und Wirtschaft verschiedene Fluid-Kreisläufe für die Ausbildung und für die Forschung und Entwicklung betreibt. Unten der Blick in das Haltungsbecken mit Gelbschwanzmakrelen (Seriola lalandi). D er Schlussakkord: Ein Industrie-gesponsertes Expertenforum weist in der sogenannten «Bremerhaven Declaration» auf die Notwendigkeit hin, dass landbasierte Infrastruktur für die Entwicklung der Marikultur in Netzkäfigen notwendig ist. Es handelt sich dabei um Anlagen für die Setzlingsproduktion. Aufgrund der mit ihrer Größe zunehmenden Fitness von Fischen ist es notwendig, möglichst große Besatzfische zu liefern. Dafür muss ein Elterntierbestand vorgehalten werden. Für beide Bereiche, Elterntierhaltung und Reproduktion, sind biosichere Fluid-Kreisläufe hervorragend geeignet, die den Lebenszyklus einer Art optimal in der Biotechnik abbilden. Eine Entwicklung der Marikultur in Netzkäfigen an der Küste ohne den Fluid-Kreislauf ist also offensichtlich nicht möglich.

11 Jochen Bauer, Peter Bergmann 4, Gerhard Braun, Anneliese Ernst, Benedikt Faupel, Verena Hanke, Otto Pulz 5, Andreas Kulakowski, Martin Sander 2, Benjamin Schmitt, Peter Ripplinger 4, Uwe Waller, Bert Wecker 3 In der Aquakultur werden heute in zunehmendem Maß Flu id-kreisläufe eingesetzt. Der grundlegende Prozess bzw. die Prozesskette ist bekannt und wurden in experimentellen Studien validiert. Die im Produktionsprozess anfallende partikuläre organische Substanz, die gelösten Nährstoffe (Stickstoff, Phosphor) und das Abgas (Kohlenstoffdioxid) unterliegen aber bislang keinem geregeltem Recycling und stellen ein Umweltproblem dar. Durch die Erweiterung der Prozesskette des Fluid-Kreislaufs könnten die Stoffströme einer umweltverträglichen Verwertung zugeführt werden. In Bild 1 ist das Schema eines sogenannten integrierten Fluid-Kreislaufs dargestellt. Der zentrale Prozess ist die Fischproduktion, aus der das Prozesswasser einer pflanzlichen Produktion zugeführt wird, womit die gelösten Nährstoffe und das Kohlenstoffdioxid aus dem Prozesswasser entfernt werden. Die pflanzliche Biomasse, hier Mikroalgen, kann entweder als Rohprodukt industriell verwertet werden oder wird einer Biogas-Fermentation zugeführt. Die Biogas-Fermentation kann ebenfalls die organischen Reststoffe aus der Fischproduktion (Futterreste, Faeces) verwerten. Das Biogas kann zum Beispiel über eine Kraft- STOFFSTROMMANAGEMENT - ECOLOGICAL ENGINEERING Prozesswasser Biogas- Fermentation Organische Reststoffe Futter Sonne Biomasse Fischproduktion Fluid-Kreislauf Pflanzliche Produktion Nährstoffrecycling Energiewandlung Energierückführung Produkte Bild 1: Der erweiterte Fluid-Kreislauf bestehend aus dem primären Fluid-Kreislauf für die Fischproduktion, der sekundären Nährstoffentsorgung durch pflanzliche Produktion (Mikroalgen) und der Energierückführung zum Beispiel über Biogas-Fermentation und Verfahren zur Energiewandlung, wie zum Beispiel eine Kraft-Wärmekoppelung. Bild 2: Experimenteller Photobioreaktor bei der Erwin-Sander-Elektroapparatebau GmbH für die Produktion von Mikroalgen auf der Basis von Nährstoffen aus einem Fluid-Kreislauf für die Produktion von Fischen. Wärmekoppelung in den zentralen Produktionsprozess zurückgeführt werden. In einer ersten Projektphase standen grundlegende Laboruntersuchungen im Vordergrund, um einen Mikroalgen-Stamm zu identifizieren, der in Photobioreaktoren (Bild 2) mit hoher Effizienz produziert werden kann. In verschiedenen Experimenten wurde die Wachstumsleistung verschiedener Mikroalgen-Stämme im Prozesswasser eines Fluid-Kreislaufs untersucht. Dazu wurden Mikroplatten verwendet (Bild 3). Mit Mikroplatten können viele kleinvolumige Mikroalgen-Kulturen parallel untersucht werden. Die Wachstumsleistung der verschiedenen Kulturen wurde mit einem automatischen Photometer gemessen (Bild 4). Nach dem ersten Auswahlverfahren wurden die, nach den Ergebnissen der Mikroplatten-Versuche geeigneten Mikroalgen experimentell in Kleinkulturen kultiviert, um die Nährstoffaufnahme unter verschiedenen Kulturbedingungen zu messen (Bild 5). In diesen Experimenten wurden die Kulturen mit diffusem Tageslicht (Sonnenlicht) beleuchtet, um festzustellen, ob die Mikroalgen auch ohne

12 Bild 4: Wachstumsmessung an Mikroalgen-Kulturen mit einem automatischen Photometer. Bild 3: Detailbild einer Mikroplatte zur Untersuchung des Wachstums von Mikroalgen unter verschiedenen Bedingungen. Einzelne Kulturen haben ein Volumen von einem Kubikzentimeter. Schnell wachsende Kulturen sind an der intensiveren Grünfärbung zu erkennen. zusätzliche Beleuchtung wachsen können. Der Ein fall von Sonnenlicht auf die Kulturen war abhängig von der Wolkenbedeckung und dem Sonnenstand. Er war auf 45 bis 90 Minuten pro Tag begrenzt. Die Nutzung des Sonnenlichtes ist ein wichtiges Projektziel, um den Prozessenergiebedarf für die Mikroalgenproduktion zu minimieren. Am Ende der Versuchsreihen wurde die Mikroalge Nannochloropsis salina, eine kugelige Eustigmatophyceae mit hohen Anteilen an wertvollen Zellinhaltsstoffen, für die weiteren Untersuchungen ausgewählt. Diese Mikroalge wird in der Aquakultur zum Beispiel für die Aufzucht von Futterorganismen, Rotatorien (Rädertiere) und Artemia (Salinenkrebs), benutzt. Parallel zu den ersten Ergebnissen der Laboruntersuchungen wurden die weiterführenden Experimente geplant (Bild 7) und die experimentellen Anlagen konstruiert und aufgebaut. Mit kleinen Versuchsaufbauten wurden spezielle konstruktive Details erarbeitet: Eine zentrale Fragestellung war zum Beispiel die konstruktive Auslegung und Automatisierung der Biomasserückhal- Bild 5: Zwei Mikroalgenarten in experimenteller Kultur. Die Kulturen wurden hauptsächlich mit diffusem Tageslicht beleuchtet. Das Wachstum wurde mit einem an der HTW entwickelten Sensor kontinuierlich gemessen. Eine Weiterentwicklung des Sensors wird heute in den experimentellen Photobioreaktoren verwendet. tung (Trennapparat 4, Bild 7). Dadurch, dass im Prozesswasser des primären Fluid-Kreislaufs die Nährstoffkonzentrationen gering gehalten werden, damit sie von den Fischen toleriert werden können, stehen für die Produktion in Photobioreaktoren nur geringe Nährstoffmengen zur Verfügung. Das bedeutet, dass nur, wenn der Prozesswasser-Volumenstrom zum Photobioreaktor eine gewisse Größe hat, dichte Biomassen mit Nährstoffen versorgt werden können. Ein großer Volumenstrom würde aber gleichzeitig die Mikroalgen aus dem Bioreaktor herausspülen, sodass eine Biomasserückhaltung notwendig ist, bevor das Prozesswasser in den primären Kreislauf zurückgeführt wird. In Bild 6 ist ein Versuchsaufbau gezeigt, der einen kontnuierlichen Betrieb der Mikroalgenkultur Bild 6: Vorversuch zur Biomasserückhaltung in Photobioreaktoren. Die keramische Mikrofiltrationsmembran (3C Membrane AG) in einer Algenkultur während des Rückspülvorgangs. über mehrere Wochen ermöglichte. Das Filtrat (Prozesswasser) wurde zur Rückspülung der keramischen Membran benutzt, sodass kein zusätzliches Spülwasser benötigt wird. Die auf der Oberfläche gebildete Algenmatte wurde durch einen rigiden Luftstrom gelockert und in einem zweiten Schritt mit Prozesswasser abgespült. Bild 7 zeigt schematisch den experimentellen Aufbau für die Pilotanlage LANDMARK. Er besteht aus dem primären Fluid-Kreislauf für die Produktion und dem sekundären Kreislauf für das Nährstoffrecycling. Die Mikroalge (Nannochloropsis salina) nimmt in diesem Aufbau die im Prozesswasser des primären Kreislaufs gelösten Nährstoffe auf. Die notwendige Bedingung für die Funktionsfähigkeit der Pilotanlage ist, dass das Prozesswasser aus dem primären Fluid-Kreislauf klar und frei von Verfärbung oder

13 Futter PRIMÄRER FLUID-KREISLAUF (Fischproduktion) Nährstoffquelle Produktionstank SEKUNDÄRER FLUID-KREISLAUF (Mikroalgenproduktion) Biomasseernte Biofilter 2 Trennapparat 1 Konzentrator Biofilter 1 Prozesswasser- Vorbehandlung Nährstoffelemination Biomasse- Rückhaltung Pumpe Trennapparat 2 Trennapparat 3 Photobioreaktor Trennapparat 4 Prozesswasseraufbereitung Biomasserückführung Bild 7: Schematische Darstellung der Forschungs- und Entwicklungsarbeit im Projekt LANDMARK. Die Prozesswasseraufbereitung im primären Fluid-Kreislauf ist bekannt und validiert. Die Arbeiten konzentrieren sich auf den sekundären Kreislauf für die Mikroalgenproduktion, insbesondere auf die Trennapparate 3 und 4 und den Konzentrator für die abgeerntete Mikroalgen-Biomasse. Partikelbelastung ist. Vor Eintritt in den sekundären Fluid- Kreislauf, dem Photobioreaktor, wird es zusätzlich noch einmal mikrobiologisch über eine keramische Membran, die von der 3C Membrane AG für die experimentellen Untersuchungen zur Verfügung gestellt wurde, geklärt (Trennapparat 3, Bild 7). Das Prozesswasser wird über den Trennapparat 4 nährstoffarm zurück in den primären Fluid-Kreislauf geführt. Die Ernte der Mikroalgen aus dem Prozesswasser im sekundären Fluid-Kreislauf erfolgt über einen Konzentrator (Bild 7). Hier hat sich eine modifizierte Flotation der Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH bewährt. Im Projekt werden zwei verschiedene Typen von Photobioreaktoren verwendet (Bild 8), um für verschiedene Einsatzbereiche Lösungen zu erarbeiten. Die bisher erzielten Ergebnisse zeigen die Machbarkeit des Konzeptes auf. Die Mikroalgenbiomasse soll zukünftig für die Aufzucht von Setzlingen von neuen Arten verwendet werden. Mit der neomar GmbH wird momentan die Gelbschwanzmakrele, Seriola lalandi, untersucht. Bild 8: Zwei unterschiedliche Photobioreaktoren (vorne: Röhrenreaktor der IGV Institut für Getreideverarbeitung GmbH, hinten: Flachplattenreaktor der Subitec GmbH), die im Projekt verwendet werden.

14 Kreislaufgeführte Produktion von Halophyten-Biomasse Jochen Bauer, Gerhard Braun, Bela H Buck 7, Anne Buhmann 6, Anneliese Ernst, Benedikt Faupel, Verena Hanke, Iris Meng 2, Jutta Papenbrock 6, Benjamin Schmitt, Uwe Waller, Bert Wecker 3 In Fluid-Kreisläufen für die landbasierte marine Aquakultur ist ein zentraler Aspekt, die im Fluid (Prozesswasser) verbleibenden partikulären Reststoffe (Faeces, Futterreste und Bakterienflocken) und gelösten Substanzen (Stickstoff- und Phosphorverbindungen, Kohlenstoffdioxid) zu entfernen. Der Quelle (Metabolismus der Organismen) müssen Senken (technische Verfahren) gegenübergestellt sein, um klares Seewasser für die Zucht von Meerestieren zu erhalten (Bild 1). Im anderen Fall wird die Kumulation von Stoffen die Funktionsfähigkeit der Prozesskette und damit des Fluid-Kreislaufs beeinträchtigen. Der zentrale Schritt für die Optimierung der Bioverfahrenstechnik des Fluid-Kreislaufs ist die Vermeidung einer Akkumulation von Stoffen im Prozesswasser. Partikuläre Reststoffe werden bereits im primären Fluid-Kreislauf eliminiert. Ziel des Projekts KEPHALOS ist, die gelösten Nährstoffe für die Produktion pflanzlicher Biomasse zu nutzen und damit aus dem Prozesswasser zu entfernen. Im Seewasser können dafür Halophyten benutzt werden, die an Salzwasser-Standorte angepasst sind. Auf der Basis der Nährstoffe aus dem Prozesswasser kann hochwertige Biomasse produziert werden, die zum Beispiel als Gemüse hohe Preise erzielt (Bild 2). Viele Halophyten-Arten werden bereits in einigen Regionen Europas unter anderem als Nahrungsmittel genutzt und besitzen sowohl in Bezug auf Nährwert als auch auf Geschmack ein kalkulierbares Marktpotential. Ferner können Halophyten als Bild 1: Eine Gelbschwanzmakrele, Seriola lalandi, im klaren Seewasser eines Fluid-Kreislaufs. Die Tiere wurden von der neomar nach deutschland gebracht, um Zuchtprotokolle zu erarbeiten. Bild 2: Queller, Salicornia sp., eine gefragte und teure Halophyte, die Nährstoffe aus dem Prozesswasser nutzen kann. Energiepflanzen oder als mineralienreiche Futterpflanze vermarktet werden. In der MFV-Forschungshalle der HTW wurde ein experimenteller primärer Fluid-Kreislauf (Bild 3) aufgebaut, der mit seiner internen Wasseraufbereitung Prozesswasser mit einem typischen Nährstoffmuster zu einem sekundären Kreislauf für die Nährstoffverwertung durch Halophyten liefert. Der sekundäre Kreislauf (Pflanzenreaktor) mit 14 Lysimetern (Pflanzbetten) als Reinigungsstufen wurde in einem Gewächshaus auf dem Außengelände aufgebaut. Der primäre Fluid-Kreislauf wurde nach der Funktionsprüfung mit Fischen besetzt. Die Lysimeter wurden mit Plantago coronopus (Wegerich) und Aster tripolium (Strandaster) in Betrieb genommen. Mittlerweile wird zusätzlich die Filterleistung von Salicornia sp. (Queller) und Atriplex portulacoides (Strand-Salzmelde) überprüft. Die Halophyten werden in Lysimetern kultiviert. Das sind Behälter mit einem speziellem Pflanzsubstrat (Festbett) und einer darunter liegenden Drainage. Die Bewässerung erfolgt mittels Prozesswasser aus dem primären Fluid- Kreislauf, der mit Fischen besetzt ist. Das mit Nährstoffen beaufschlagte Fluid passiert das Lysimeterbett und das biologisch gereinigte Drainage-Wasser wird in einem Sammelbehälter aufgefangen und anschließend dem Produktionsbecken des primären Fluid-Kreislaufs wieder zugeführt. Die Wasseraufbereitung im künstlichen Feuchtgebiet (Lysimeter) geschieht im Wesentlichen durch ein

15 Produktionsbecken Reserve Trommelfilter Biofilter (Nitrifikation) Vorratsbehälter Lysimeter 1 Flotation Auffangbehälter Ozon-Generator Bild 3: Fließschema des KEPHALOS Fluid-Kreislaufs mit den integrierten Lysimetern. Bild 4: Atriplex portulacoides in einem Lysimeter. konzertiertes Zusammenwirken von Pflanzsubstrat als Filter (mechanische Reinigung), durch das Aufnehmen, Umwandeln oder Abbauen der Wasserinhaltsstoffe durch Bakterien, durch die Nährstoffaufnahme durch die Pflanzen (biologische Reinigung), durch die Adsorption an Bodenteilchen (physikalische Reinigung) und durch Fällungsreaktionen zwischen den Wurzeln der Pflanzen (chemische Reinigung). Voraussetzung für die Funktion des aus einzelnen Lysimetern bestehenden Pflanzenreaktors ist, dass das Prozesswasser weitestgehend frei von partikulären Reststoffen und höheren Konzentrationen von gelöstem Kohlenstoffen ist. Der dem Trommelfilter nachgeschaltete Flotationsprozess (Bild 3) hat zentrale Bedeutung. Mit ihm wird ein klares Prozesswasser mit geringer mikrobieller Aktivität verfügbar, das ohne weitere Vorbehandlung in die Halophyten-Produktion geleitet werden kann. Eine Sauerstoffzehrung im Porenwasser des Sedimentes kann aufgrund der Prozesswasseraufbereitung im primären Fluid-Kreislauf und andererseits durch das Lücken- bzw. Kanalsystem in einem durchlässigen Substrat ausgeschlossen werden. Es ist weiterhin zu erwarten, dass in Lücken und Kanälen mitgeführte Luftblasen zur Belüftung des Porenwassers beitragen. Damit ist sichergestellt, dass die Wasseraufnahme über das Wurzelsystem nicht durch Sauerstoffmangel behindert wird. Bild 7 zeigt die Biomassezunahme der Strandaster (Bild 6) während der ersten experimentellen Phase im Sommer Das Wachstum in den Sommermonaten war hervorragend. Nach der fünfmonatigen Wachstumsphase zeigte die Strandaster, Aster tripolium, eine deutliche Zunahme im Gewicht des Blatt- und Sprossmaterials. Das Gewicht der Strandastern nahm von anfänglich 22 g auf 945 g zu. Das tägliche Wachstum einer einzelnen Pflanze betrug 6 g. Bild 5: Plantago Coronopus im Lysimeter. Hinten im Bild ein Tropfenverteiler für die kontinuierliche Bewässerung

16 Frischgewicht der oberirdischen Pflanzen [g] Datum vs Frischgewicht Regressionsgerade 95% Vertrauensbereich Mai Jun Jul Aug Sep Okt Bild 6:Die Strandaster, Aster tripolium, in einem Lysimeter. Bild 7: Wachstum der Strandaster, Aster tripolium, im Sommer. FITT DURCH TRANSFER Das FITT wurde 1985 als Kontaktstelle der Hochschule für Technik und Wirtschaft zur Wirtschaft gegründet. Die FITT ggmbh, das Institut für Technologietransfer der HTW des Saarlandes, unterstützt heute als eigenständige Forschungseinrichtung mit über 90 Beschäftigten gemeinsam mit Professorinnen und Professoren der HTW große wie kleine Unternehmen, soziale Einrichtungen und öffentliche Hand bei der wissenschaftlichen Beantwortung aktueller Fragestellungen. Das zahlt sich für Unternehmen jeder Größe schnell aus. Effektivität und Effizienz verbessern sich, Innovationen können rasch realisiert werden. So werden durch Technologietransfer Wohlstand geschaffen und Arbeitsplätze gesichert nicht nur die bei der FITT ggmbh selbst, sondern vor allem auch diejenigen bei den Kooperationspartnern. Praxisnahe Forschungskooperationen verbessern auf der anderen Seite unmittelbar Lehre, Ausstattung und Attraktivität der Hochschule. Die HTW des Saarlandes zählt mittlerweile zu den forschungsstärksten Hochschulen für angewandte Wissenschaften in Deutschland. Das Verena Hanke 1,8, Georg Maringer 8, Uwe Waller gibt auch dem Finanzminister des Saarlandes Grund zur Freude: Durch Drittmittel kann der Etat der Hochschule regelmäßig um rund 20 Prozent aufgestockt werden Tendenz steigend. Das FITT unterstützt den Wissens- und Technologietransfer in der Aquakultur mit einem gemeinsamen Projekt mit der Meeresfischzucht Völklingen GmbH. Im Vordergrund stehen die NEUEN ARTEN (Seite 22) zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Fluid-Kreisläufen. Weitere Informationen zum FITT unter

17 Automatisierung von kreislaufgeführten Prozessen für die Aquakultur Benedikt Faupel, Jochen Bauer, Gerhard Braun, Verena Hanke, Andreas Kulakowski, Benjamin Schmitt, Uwe Waller Die nachhaltige Aquakultur in Form von geschlossenen Fluid-Kreisläufen erfordert prozessbezogene Automatisierungslösungen, die im Projekt ARTESS bearbeitet werden. Die Leistungsfähigkeit und der wirtschaftliche Erfolg sind bei neuen Technologien ohne die Sicherstellung eines hohen Automatisierungsgrades undenkbar. Die Automatisierung übernimmt mit ihren Methoden, Konzepten und Systembausteinen eine wichtige Querschnittsfunktion. Zum einen leistet die Automatisierung die sichere und zuverlässige Prozessführung komplexer Anlagen und ermöglicht zum anderen die Analyse und Korrelation von Prozessbeziehungen für Anwendungsingenieure und Biologen. Ohne Prozessautomatisierung wäre eine optimierte Prozessführung und überwachter Anlagenbe- trieb mit lückenloser Prozessdatenerfassung nicht möglich. Bild 1 zeigt die Prozesskette eines Fluid- Kreislaufs für die Aquakultur von Fischen, Krebs- und Weichtieren. Die einzelnen Prozesse sind nicht unabhängig, sodass die Automatisierung komplexe Interaktionen zwischen Einzelprozessen auflösen muss. Aus diesem Grund stellt die Automatisierung der Kreislaufsysteme einen wesentlichen Entwicklungsschwerpunkt bei der Forschung und Entwicklung von Fluid-Kreisläufen dar. Die bisherigen Arbeiten konzentrierten sich auf die Automatisierung der Anlagen in den Projekten LANDMARK und KEPHALOS. O 2 Emergency Supply Growth Monitoring Production Control Oxygen Supply O 2 Buffer/Flocculant ph Holding Tank Coarse Mechanical Filtration Feeding Robot CO 2 Stripping Process Water Backflow CO 2 Filter Backwash Sludge Dewatering Anaerob Biological Filtration Recycling Floatation REDOX Ozone Generator Fluid Buffer Tank Fluid Pump REDOX Water Quality Monitoring TAN, NO 2, NO 3, PO 4, O 2, ph, REDOX Organic Substrate Process Data (Sensor) Oxygen Supply Carbon Dioxide Stripping Data Process Control O 2 Aerob Biological Filtration O 2 Emergency Supply Process Water Backflow Process Data (Actuator) Coarse Mechanical Filtration Filter Backwash Sludge Dewatering Recycling Bild 1: Prozesskette eines Fluid-Kreislaufs für die Aquakultur von Fischen, Krebs- und Weichtieren.

18 Im Projekt LANDMARK wird ein Verfahren für das Nährstoffrecycling in landbasierten marinen Kreislaufanlagen untersucht. Die Herausforderung liegt in der Einstellung einer gleichbleibenden Wasserqualität im primären Fluid- Kreislauf und der Erweiterung der Automatisierung auf sen sich mit der Temperaturregelung im Fluid des Photobioreaktors und der Messung und Regelung der Kohlenstoffdioxid- und Sauerstoffkonzentration (Bilder 3 und 4). Im Projekt KEPHALOS wird das Prozesswasser eines marinen Fluid-Kreislaufs für die Biomasseproduktion von Halophyten genutzt. Halophyten sind Pflanzen, die an Stand- Bild 4: Sonde für die Messung des ph-wertes im Fluid des Photobioreaktors als Regelvariable für die Dosierung von Kohlenstoffdioxid. Die Sonde misst unmittelbar im Reaktorraum. Bild 2: Ein für die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten eingesetzter Photobioreaktor der Subitec GmbH. orte mit unterschiedlichem Salzgehalt angepasst sind. An der HTW werden diese Pflanzen in einem Gewächshaus gehalten und mit Prozesswasser aus einem Fluid-Kreislauf versorgt (Bild 5). Das Prozesswasser wird zeitgesteuert aus dem primären Fluid-Kreislauf zugeführt und nach Passage der Pflanzbetten (Lysimeter) zurückgeführt. Die Automatisierung wird sich insbesondere mit der Problematik der Erwärmung und Verdunstung des Prozesswassers bei der Passage des Gewächshauses befassen, um durch gezielte Zuführung von Stadtwasser den Salzgehalt im Prozesswasser kons- die Prozesskette für die Rückgewinnung der Nährstoffe aus dem Prozesswasser durch die Produktion von Biomasse in Photobioreaktoren (Bild 2). Die Automatisierung des sekundären Fluid-Kreislaufs mit den Trennapparaten und dem Konzentrator ist nicht trivial, da die Rückspülprozesse nur zeitlich begrenzt die Volumenströme unterbrechen dürfen und die Beerntung der Biomasse mit den Rückspülprozessen synchronisiert werden muss (siehe Seite 11, Bild 6). Weitere Aspekte der Automatisierung befas- Bild 3: Messwerterfassung und manuelle Druckvorwahl für die Begasung des Fluids im Photobioreaktor. Bild 5: Haltungsbecken eines Fluid-Kreislaufs mit Gelbschwanzmakrelen, Seriola lalandi. Beobachtung der Tiere durch Andreas Kulakowski.

19 tant zu halten. Weitere Regelungen sollen die Belüftung des Gewächshauses betreffen, um gerade in den Sommemonaten ein Überhitzen des Produktionsraums zu verhindern In den Projekten LANDMARK und KEPHALOS wurde ein Automatisierungskonzept mit speicherprogrammierbaren Steuerungen der SIMATIC Baureihe S7 (SIEMENS) realisiert. Die Steuerung und Prozessführung erfolgt für jede Teilanlage über eine eigene dezentrale speicherprogrammierbare Steuerung, die Sensorik und Aktorik bedient. (Bild 7). Das Anlagenlayout ist redundant konzipiert. Bei Ausfall einer Steuerung kann die Anlagenführung von der Steuerung der anderen Anlage übernommen werden. Die Steuerungen sind miteinander vernetzt und werden zukünftig in einem übergeordneten Leitsystem integriert. Die Visualisierung und Darstellung aktueller Prozessmesswerte sowie die Bedienung erfolgt über integrierte Bedienpanels (Bild 8). Das Steuerungsprogramm übernimmt die Erfassung und Aufbereitung der Prozessmesswerte. Die Auswertung erfolgt für alle steuerende und regelnde Prozesseingriffe in der jeweiligen speicherprogrammierbaren Steuerung. Neben der Prozessführung ist ein umfassendes Informations- sowie Warn- und Störmeldesystem implementiert. Im Informationssystem werden Prozessdaten, Messwerte und Laufzeitdaten gesammelt und in einem leicht auswertbaren Format zur Verfügung gestellt. Die Daten werden in einem Datenerfassungssystem archiviert. Bei Erreichen und Überschreiten von Warn- und Eingriffsgrenzen Bild 6: Blick in das Gewächshaus mit zwei verschiedenen Halophytenarten: Aster tripolium (rechts), Plantago coronopus (links) werden Warnungen und Störmeldungen generiert. Störmeldungen werden direkt per und SMS übermittelt. Diese Funktionen erfüllen die Anforderungen einer kontinuierlichen Überwachung und Einstellung bestmöglicher Bedingungen der Wasserqualität in den Fluid-Kreisläufen. Zukünftige Arbeiten fokussieren sich auf die Realisierung innovativer Qualitätsregelkreise, die in der übergeordneten Leittechnik als erweiterte Funktionalität integriert werden. Die Prozessgrößen sollen anhand von Qualitätsregelkarten auf Trends geprüft und für intelligente Regelungskonzepte genutzt werden. Ebenso sind neben den bereits implementierten Regelstrategien alternative modellbasierte Verfahren erforderlich. Die Realisiserung von Konzepten und Applikationen werden als Lehrbeispiele in den Laboren für die Studiengänge Elektrotechnik und Maschinenbau eingesetzt. In die Automatisierung der Fluid-Kreisläufe werden frühzeitig Studenten eingebunden. Die Zusammenarbeit von Studenten, Ingenieuren und Naturwissenschaftlern ist die Basis für die Durchführung von Projekt- und Abschlussarbeiten im Bachelor- und Masterstudiengang. Bild 7: Installation der dezentralen Steuerung für den LANDMARK Fluid-Kreislauf durch Benjamin Schmitt, Masterstudent an der HTW. Bild 8: Ein Bedienpanel für die Visualisierung, die Darstellung aktueller Messwerte und Bedienung eines Fluid-Kreislaufs.

20 KERNVERFAHREN FLOTATION - MESTER+ Optimale Erzeugung von Mehrphasenströmungen als Grundoperation in kreislaufgeführten Produktionsanlagen Bildmaterial: Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH Gerhard Braun, Verena Hanke, Andreas Kulakowski, Klaus Kimmerle, Karin Sander 2, Martin Sander 2, Uwe Waller, Eike Ziegler Die Entfernung von Partikeln aus dem Pro zesswasser von Fluid-Kreisläufen ist für die Funktion der Prozesskette von zentraler Bedeutung. Partikel sind zum Beispiel Futterreste oder Fäzes. Sie treten als Folge der Fütterung der Tiere auf. Werden Partikel nicht unmittelbar aus dem Prozesswasser entfernt, ergeben sich schwerwiegende Konsequenzen für die Gesamtfunktion eines Fluid-Kreislaufs: Die Flotation oder Eiweißabschäumung ist ein Kernprozess im Fluid-Kreislauf und bestimmt wesentlich die Qualität des Prozesswassers. Der Eiweißabschäumer ist im Prinzip ein Flotationsapparat. Flotationsprozesse ermöglichen die Abtrennung gelöster, kolloidaler und partikulärer Substanzen. Diese lagern sich an den Grenzflächen der eingebrachten Gasblasen an. Ein spezieller Anwendungsfall der Flotation ist die Abschäumung oberflächenaktiver Substanzen, zum Beispiel Eiweiß. Die Schaumbildung ermöglicht einen gekoppelten Austrag von Stoffe aus dem Prozesswasser. Der Schaum bindet kleinste Partikel, Bakterien (Bild 2) und Viren, sodass mit diesem Verfahren die Qualität des Prozesswassers in einem Fluid-Kreislauf wesentlich verbessert wird. Die stoffbezogene Effizienz der Abschäumung nimmt mit steigendem Luftvolumenstrom zu. Die Luft wird in modernen Eiweißabschäumern mit Strahlapparaten energie-effizient eingetragen. Das grundlegende Prinzip des Strahlapparates ist in Bild 3 dargestellt. Der Wasserstrom 1 Partikel sind Substrat für Mikroorganismen, die sich vehement auf Oberflächen vermehren. Der Stoffwechsel der Mikroorganismen zehrt Sauerstoff aus dem Prozesswasser und entlässt Kohlenstoffdioxid. In Bezug auf die gelösten Gase konkurrieren die Mikroorganismen mit den Tieren, die im Prozesswasser gezüchtet werden. Die Prozesse entziehen sich einer Kontrolle und können nicht geregelt werden. 2 Partikel beschädigen Epithelien und Integument, also die äußere Körperhülle von Organismen. Insbesondere Schäden an den Kiemenepithelien haben unmittelbare Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit. Die begrenzte Sauerstoffaufnahme führt zu einer verminderten Stoffwechselaktivität und reduziertem Wachstum der Tiere. 3 Die Biofiltration, der notwendige Schritt, um kritische Nährstoffe wie das exkretierte Ammoniak abzubauen, wird durch die Auflagerung von Partikeln auf die Biofilme beeinträchtigt. Der Stoffaustausch zwischen dem Prozesswasser und dem eigentlichen aktiven Biofilm wird minimiert. Bild 1: Schematische Darstellung des Flotationsprozesses in einem Eiweißabschäumer. Der Flüssigkeitsstrahlapparat, der aktiv Luft in den Wasserstrom hineinsaugt (Bild 3), ist rot hervorgehoben. Das Prinzip des Eiweißabschäumers ist eine Wasserklärung im Gegenstrom von Luft (gelb) und Wasser (blau). Bild 2: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Bakterien aus einem Fluid-Kreislauf für die Aquakultur von Fischen. Bild 3: Das Funktionsprinzip eines Flüssigkeitsstrahlapparats mit dem Luft- (gelb) und Wasserstrom (blau). Bildmaterial: Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH

21 (blau) wird mit zunehmender Geschwindigkeit durch eine Düse gedrückt, wodurch ein Unterdruck entsteht und Luft (gelb) in den Wasserstrom gesaugt wird. Die Luftblasen werden sehr fein eingetragen, im Wasserstrom gleichmäßig verteilt und in den Eiweißabschäumer injiziert (Bild 4). Die Luftblasen steigen entgegen dem Wasserstrom im Eiweißabschäumer auf und bilden mit organischen Molekülen im Wasser den Schaum (Bild 5). Da es sich um Eiweißstoffe handelt, hat sich der Name Eiweißabschäumer für diesen Apparat etabliert. Der Prozess ist vom Meeresstrand bekannt, wo bei stärkerem Wind Schaum im Brandungsbereich entsteht. Es handelt sich also um einen natürlichen Prozess (Ecological Engineering), der von zentraler Bedeutung in einem Fluid-Kreislauf ist. Die Effizienz der Eiweißabschäumung verändert sich mit der Größe und der Anzahl der eingetragenen Luftblasen. Hier greift das Projekt MESTER+ an: Der Flotationsprozess mit Strahlapparat vereinigt zwei verfahrenstechnische Grundoperationen: Das Begasen und Vermischen. Luft und Wasser werden homogen vermischt in den Eiweißabschäumer injiziert. Man spricht von einer Mehrphasenströmung. Die im Strahlapparat auftretenden hochturbulenten Vorgänge bestimmen das Einsaugverhalten für die Luft und die Strömungseigenschaften der Mehrphasenströmung Schaumtopf mit zentralem Schaumsammelrohr Zone der Schaumbildung Bild 5: Das Schaumsammelrohr, aus dem der mit Partikeln beladene Schaum austritt. Zum Aufbau und zur Funktion siehe Bild 4. im Auslauf des Strahlapparats, dem Stabilisator. Das erzeugte Blasenbild und die hydrodynamischen Verhältnisse bestimmen im Reaktionsraum die Effizienz des Flotationsprozesses. Zur Optimierung der Mehrphasenströmung werden zunächst die Funktionsmechanismen des Strahlapparates untersucht. Für die Beurteilung des Gesamtsystems ist es notwendig, wesentliche physikalische Parameter für unterschiedliche Betriebszustände zu erarbeiten, um ihren Einfluss auf die Effizienz des Systems besser zu verstehen. Für die dazu notwendigen Strömungsberechnungen werden computergestützte Strömumgssimulationsprogramme (CFD-Programme) des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) in Kaiserslautern verwendet. Die ComputerFluidDynamics- Finite-Pointset-Method (CFD-FPM) wird vom ITWM an die speziellen Fragestellungen des Projekts MESTER+ angepasst. Die Messung von Prozessvariablen ist für die Simulation des Prozesses von zentraler Bedeutung. Die Hydac Electronic GmbH stellt für das Projekt die Messtechnik zur Verfügung. Reaktionsraum Strahlapparat Eintritt des Mehrphasenstroms Treibwasserpumpe für Strahlapparat Bildmaterial: Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH Bild 4: Der Aufbau eines Abschäumers des Typs «Helgoland» der Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH. Bild 5: Ergebnis einer Computer-Simulation mit der CFD-FPM Software (ComputerFluidDynamics-Finite-Pointset-Method). Durch die Bearbeitung der verschiedenen Fragestellungen im Projekt MESTER+ sollen wesentliche Verbesserung des Flotationsprozesses, speziell des Strahlapparates erreicht werden. Die Untersuchung der Strömungsdynamik führt zusätzlich zu einem Erkenntnisgewinn für die Auslegung von anderen Apparaten im Anwendungsbereich der Mehrphasenströmung, die durch den Wissenstransfer über die Kooperationspartner in die Industrie einfließen sollen.

22 NEUE ARTEN Das Beispiel marine Garnelen: Aufzucht von Penaeus monodon unter biosicheren Bedingungen für die nachhaltige Aquakultur Benedikt Faupel, Verena Hanke, Marie-Christine Koster, Benjamin Schmitt, Gerd Schnyder, Martin Sander, Uwe Waller, Bert Wecker 3 Marine Garnelen werden weltweit gehandelt. Sie sind ein wertvolles Handelsgut. Der Giant Tiger Prawn, Penaeus monodon, ist eine Art, die vergleichsweise groß wird und hohe Marktpreise erzielt. Aufgrund der begrenzten natürlichen Ressourcen kann die Fischerei nicht die nachgefragten Mengen anlanden. Aus diesem Grund wird diese Art seit mehr als 20 Jahren in der Aquakultur gezüchtet. Ein großes Gefährdungspotential stellt die bislang nicht ausreichend entwickelte Nachzucht von Setzlingen dar. Penaeus monodon wird deshalb immer noch in fangbasierter Aquakultur, «Capture based Aquaculture», produziert, die in nicht verantwortlichem Aus maß Jugendstadien aus den natürlichen Beständen entnimmt, um sie in die Zuchtteiche einzusetzen. Andererseits werden Elterntiere gefangen, die kurz vor der Laichreife stehen. Eine Auswirkung auf die Rekrutierung natürlicher Bestände ist nicht auszuschließen, wobei notwendige bestandskundliche Daten fehlen. Für eine nachhaltige und umweltverträgliche Aquakultur ist es notwendig, die Aufzucht und Haltung von Elterntieren, die Induktion der Laichreife und die Aufzucht von Larvenstadien und Juvenilen bis zur Besatzgröße zu entwickeln, um damit die Aquakultur unabhängig von natürlichen, lebenden Ressourcen zu machen. Das wird durch einen Umstand erschwert. Durch den länderübergreifenden Handel mit Setzlingen sind bakterielle und virale Infektionskrankheiten verbreitet worden. Die Entwicklung «pathogen-freier» Elterntierbestände und die «biosichere» Aufzucht von Setzlingen ist ein wichtiges Ziel der Forschung und Entwicklung, die unmittelbar einer Verbesserung der Nachhaltigkeit dieser Aquakultur zuarbeitet. Um die nachhaltige Entwicklung der Aquakultur von Penaeus monodon zu unterstützen, entwickelte die HTW ein biosicheres Verfahren (Bild 1 und 2) für die Zucht unterschiedlicher Lebensstadien. Der geschlossene Fluid- Kreislauf ist dafür das geeignete Verfahren. Er ist von der Umwelt abgekoppelt, und hat keine Zugänge oder Abgän- Bild 1: Die Kreislaufanlage (Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH) in der Völklinger Forschungshalle für die Aufzucht von marinen Garnelen, Penaeus monodon. ge für Bakterien, Viren, Parasiten oder andere Pathogene. Moderne Fluid-Kreisläufe ermöglichen es, die Lebensbedingungen an die Biologie der Art anzupassen und damit optimale Bedingungen für die Aufzucht einzustellen. Ein wichtiger Schritt ist die Automatisierung der Anlagen, um Bild 2: Die leitende Biologin, Frau Koster, protokolliert das Verhalten der Tiere im Aufzuchtbecken.

23 die Umweltbedingungen konstant zu halten. Das Bild 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Fluid-Kreislaufs für die Haltung und Aufzucht mariner Garnelen. Die Haltungsbecken sind so ausgelegt, dass sowohl junge Lebensstadien, die Postlarven, als auch juvenile und adulte Tiere gehalten werden können. Dadurch, dass Becken unterschiedlicher Größe vorhanden waren, die unabhängig voneinander betrieben wurden (Bild 4), konnten einzelne Gruppen von Tieren separat aufgezogen werden. Während die Postlarven typischer weise die Wassersäule als Lebensraum nutzen, gehen ältere juvenile und adulte Tiere mehr und mehr zum Bodenleben über. Dementsprechend war in den Haltungsbecken für ältere Tiere ein Sand sediment eingebracht worden, in dem sich die Tiere eingraben konnten. Das Eingraben der Tiere vermindert die Gefahr, das einzelne Tiere sich untereinander angreifen und verletzen. Biofilter Trommelfilter Eine Besonderheit der Anlage war, dass durch den nur geringen Wasserbedarf das Seewasser aus einer Salzmi- Bild 4: Installation der Haltungsbecken mit zentralem Rücklauf zur Wasseraufbereitung. Sammelbehälter Rieselbehälter Abschäumer Haltungsbecken Desinfektion Desinfektion Abwasserkanal Ozongenerator Bild 3: Schema des biosicheren Fluid-Kreislaufs für die Haltung und Aufzucht mariner Garnelen, Penaeus monodon. schung und Süßwasser hergestellt werden konnte. Dieses Seewasser war frei von Krankheitserregern. Alle Reststoffe, die die Anlage verließen, wurden desinfiziert, womit eine Übertragung von Krankheiten aus der Anlage in die Umwelt verhindert wurde. Das ist aus Gründen des Umweltschutzes unbedingt notwendig, da die viralen Infektionen auch in Europa übertragen werden könnten. Die Aufzucht der Garnelen erfordert ein kontinuierliches Beobachten der Tiere, um besonders aggressive Individuen zu separieren. Diese Tiere waren zumeist größer als das durchschnittliche Tier. Diese Tiere wurden als Gruppe in einem separaten Becken gehalten, sodass in dem Fluid-Kreislauf verschiedene Tiergruppen separat aufgezogen wurden (Experimentelle Phase 1, Bild 7). Postlarven und kleine juvenile Tiere zeigten zunächst eine pelagische Lebensweise und nutzten die vertikal eingehängten Substrate als Aufenthaltsraum (Bild 6). Mit Bild 5: Junge Garnele (Penaeus monodon) noch in der pelagischen Lebensphase. Bild 6: Junge Garnelen (Penaeus monodon) nutzen die vertikal eingehängten Kunststoffbahnen als Aufenthaltsraum.

24 Ausbildung der geschlechtsspezifischen Merkmale wurden die Tiere auch nach Geschlechtern getrennt. Durch das kontinuierliche Sortieren und die Trennung der Geschlechter, konnte der Verlust von Tieren minimiert werden. Die Sortierarbeiten (Bild 7) waren aufwändig und erfolgreich, wie die Wachstumsergebnisse zeigen (Bild 8). Das Wachstum der Garnelen ist in Bild 8 zusammengefasst. Während der ersten drei Monate wurden die Tiere lediglich nach der Körpergröße sortiert und in unterschiedlichen Gruppen aufgezogen. Diese Gruppen sind als graue Linien im Bild 8 dargestellt. Es ist deutlich erkennbar, dass einige Gruppen besser gewachsen sind. Diese Gruppen bestanden aus Tieren, die aussortiert und in die Gruppe der «Vorwüchser» einsortiert wurden. Lebendgewicht [g] Experimentelle Phase 1 } Experimentelle Phase Zeit [d] 250 Bild 8: Wachstumsergebnisse für Penaeus monodon in einem biosicheren Fluid-Kreislauf. ches hatten die größten weiblichen Tiere (Bild 9) beinahe die Größe eines geschlechtsreifen Tieres erreicht. Im Bild 7 sind zwei weitere Geraden eingezeichnet, die die individuelle Wachstumsgeschwindigkeit von zwei Vergleichspopulationen zei gen. Die Wildpopulation aus Hawaii wächst demnach mit 0.25 g pro Tag, die der genetisch selektierten Population mit 0.29 g pro Tag. Die Tiere in Völklingen wuchsen im Mittel für beide Geschlechter mit 0.28 g pro Tag, wobei die männlichen Tiere 0.24 g pro Tag, die weiblichen Tiere 0.32 g pro Tag erreichten. Es ist offensichtlich, dass die Haltungstechnik zusammen mit dem stringenten Bestandsmanagement einen Weg in Richtung auf eine nachhaltige Nachzucht von Penaeus monodon aufzeigt. Bild 7: Das regelmäßige Sortieren der Garnelen führte zu geringen Verlusten und überdurchschnittlichen Wachstumsleistungen. Diese Tiere sind fortlaufend besser als die anderen gewachsen. Mit Ausbildung der Geschlechtsmerkmale wurden die Tiere nach Geschlechtern getrennt (Experimentelle Phase 2, Bild 8). Es zeigte sich, dass die weiblichen Tiere schneller wuchsen als die männlichen. In beiden Gruppen traten wiederum schnell wachsende und langsame wachsende Tiere auf. Bei den männlichen Tieren war der Größenunterschied weniger ausgeprägt als bei den weiblichen Tieren. Hier waren die größten Tiere (95 g) fünfmal so schwer wie die kleinsten Tiere (18 g). Bei den männlichen Tieren ergab sich ein Gewichtsbereich von 28 bis 75 g. Die größten Tiere waren dreimal schwerer im Vergleich zu den kleinsten Tieren. Am Ende des Versu- Bild 9: Ein großes weibliches Tier, welches das Gewicht einer geschlechtsreifen Garnele beinahe erreicht hat. D er Schlussakkord: Ein Industrie-gesponsertes Expertenforum weist jetzt in der sogenannten «Bremerhaven Declaration» auf die Notwendigkeit hin, dass Marikultur an den Küsten mit Priorität einheimische Fischarten züchten sollte. Die Biologie und Zuchtprotokolle sind bekannt und es ist wahrscheinlich, dass diese Arten einfacher an die Bedingungen der Küstenaquakultur anzupassen sind, wird argumentiert. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass für am Markt nachgefragte Exoten eine alternative Technik eingesetzt werden muss. Der Fluid-Kreislauf bietet hier alle Voraussetzungen, sogenannte neue Arten, also teure Exoten, in unmittelbarer Nähe zu den Märkten zu züchten. Exoten, die sonst energieaufwendig aus fernen Meeresgebieten nach Deutschland transportiert werden, könnten vor Ort frisch, just in time produziert und geliefert werden. Damit würde unmittelbar dem Schutz von Beständen zugearbeitet, die aufgrund des hohen Wertes oft kaum kontrollierbar oder unkontrolliert befischt werden. Die Gelbschwanzmakrele, Seriola lalandi, ist ein aktuelles Beispiel. Neomar und HTW arbeiten schon an der sicheren Zucht dieser Art.

25 Energetic Algae (EnAlgae) ist eine Strategische Initiative im INTERREG IVB Programm der Europäischen Union für Nordwesteuropa. Sie hat einen Umfang von 14 Millionen Euro und bindet 19 Partner aus sieben europäischen Ländern ein. Das Ziel ist, Entscheidungshilfen für die Nutzung von Algen als nachhaltige Biomasse- und Energieproduzenten zu entwickeln. Anneliese Ernst, Benedikt Faupel, Alex Finck, Barbara Grabowski, Verena Hanke, Klaus Kimmerle, Andreas Kulakowski, Martin Sander 2, Uwe Waller, Bert Wecker 3 Algen sind nicht nur die Basis der marinen Nahrungsketten, sie sind kleine Kraftwerke, die in Zukunft zu unser Energieversorgung beitragen könnten. Das Projekt LANDMARK an der HTW zeigt mit der Nutzung von Nährstoffen aus einem vorgeschaltetem Prozess, nämlich der Aquakultur von Meeresorganismen, in Photobioreaktoren neue Wege für die Energiewandlung aus Biomassen auf. Damit soll insbesondere auch die Wirtschaftlichkeit der Biomasseproduktion von Mikroalgen in hochdichten Photobioreaktoren verbessert werden. Dieser Aspekt trifft den Fokus der strategischen Initiative EnAlgae. EnergeticAlgae (EnAlgae) ist eine europäische Partnerschaft, die Arbeitsgruppen zusammenschließt, die die Nutzung und das Potential von Algen als nachhaltige Biomasse- und Energiequelle ausloten sollen. Das Ziel ist, die Treibhausgasbilanz der Region Nordwesteuropa zu verbessern und zur Erhöhung des Anteils von erneuerbaren Energien beizutragen. gefördert durch In Nordwesteuropa ist eine Ausweitung des Anbaus von Pflanzen, die für die Energieumwandlung geeignet sind, aufgrund der intensiven Flächennutzung und den jahresperiodischen klimatischen Schwankungen nur begrenzt möglich. Die Produktion von Algenbiomasse in Photobioreaktoren (Mikroalgen, Bild 1) an Land und im Meer (Makroalgen, Bild 2) konkurriert nicht mit landwirtschaftlichen Anbauflächen. Bild 1: Prototyp-Photobioreaktor für die Produktion von Mikroalgen auf einem Freiland-Versuchsfeld. Mit dem Projekt LANDMARK stehen verschiedene Photobioreaktor-Typen an der HTW für die Forschung und Entwicklung zur Verfügung. Wesentlich für die Entwicklung ist es, den Energieverbrauch von Photobioreaktoren durch die Nutzung von solarer Strahlungsenergie (Sonnenlicht) zu verringern. Ein weiterer Schritt ist die Automatisierung der Prozesse, um eine kontinuierliche Produktion von Biomasse zu erreichen und dabei die Produktivität zu steigern. Die strategische Initiative EnAlgae unterstützt die Arbeiten durch Mitarbeiter und stellt die für die Automatisierung und Datenerhebung notwendigen Investitionsmittel zur Verfügung. Eine weitere Aufgabe der HTW innerhalb des Netzwerks ist die Erstellung eines Datenmanagementsystems. Die Datensammlung in einem einheitlichen Format und die Speicherung in einer Datenbank ist eine Grundlage für die Entwicklung von computergestützten Entscheidungssystemen, die in Nordwesteuropa den nachhaltigen Aufbau von Algenproduktionen unterstützen sollen. Bild 2: Offshore-Algenring für die Produktion von Makroalgen. Mit freundlicher Genehmigung des Instituts für Marine Ressourcen GmbH.

26 VÖLKLINGEN Die Umsetzung von Ergebnissen aus grundlegender und angewandter Wis senschaft in real operierende Unternehmungen muss das Ziel der Forschung und Entwicklung an Hochschulen sein. Der Weg dahin ist typischerweise durch verschiedene Phasen gekennzeichnet, die in Bild 1 für das Projekt «Fluid-Kreislauf» dargestellt sind. Wolfgang Cornetz, Jochen Dahm 1, Klaus Kimmerle, Klaus Lorig, Martin Sander 2, Uwe Waller, Bert Wecker 3 Der erste Impuls für eine neue Technologie ist die Idee, die basierend auf dem Stand des Wissens entwickelt wird. Die Idee des Fluid-Kreislaufs lässt sich bis 1996 zurück verfolgen. Sie begann am Institut für Meereskunde in Kiel mit einem Seminar zur Kreislauftechnologie in der Aquakultur. Im Verlauf der darauf aufbauenden Forschung- und Entwicklungsarbeiten 1 entstanden Kontakte zu Unternehmen, wie zum Beispiel der Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH. Sie entwickelte 2001 den ersten Prototyp eines modernen Fluid-Kreislaufs und erprobte ihn im firmeneigenen Versuchsfeld 2. Am Institut für Meereskunde wurde zusammen mit dem Industriepartner die Funktionalität der Verfahren, Prozesse und Prozessketten geprüft und die Machbarkeit für verschiedene marine Fischarten experimentell nachge- Aufwand, Intensität, Kapazität 1 Initiale Ideenfindung - Hochschulforschung 2 Weiterentwicklung durch einen Wirtschaftspartner 3 Wirtschaftliche Umsetzung durch Unternehmen 4 Hochschullehre und Wissentransfer 5 Multiplikation in weiteren Projekten 6 Weiterführende Forschung Bild 2: Die Wasseraufbereitung des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung bei der Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH geförderten PISA-Projekts. wiesen. Die Forschung und Entwicklung nahm an Intensität zu, wie die ansteigenden Kurven 1 und 2 zeigen. Der nächste Schritt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert: Das Projekt «PISA» PolyIntegrierte Seewasser Aquakultur (Bild 2) zeigte an einem ersten semi-kommerziellen Fluid-Kreislauf, der am Firmensitz der Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH in Uetze bei Hannover betrieben wurde, die Machbarkeit des Konzepts «LANDBASIERTE MARINE AQUAKULTUR» auf. Es entstand viel Aufmerksamkeit, national und international. Aquakultur kam nach langer Zeit wieder in den Fokus ZEIT Bild 1: Die typische Entwicklung einer neuen Technologie. Wissenschaftliche Bereiche sind dunkelrot, unternehmerische Aktivitäten dunkelgrün hervorgehoben. III II I in Deutschland. Die Stadt Völklingen mit ihren Stadtwerken hatte die Entwicklung der Aquakultur verfolgt und nach sorgfältiger Recherche entschieden, das Projekt Meeresfischzucht Völklingen zu entwickeln. Die Projektentwicklung wurde intensiv voran getrieben 3, um das Ziel, die Reaktivierung einer Industriebrache schnell und sicher zu erreichen. Die MFV, die Meeresfischzucht Völklingen GmbH wurde gegründet, die eng und mit zunehmender Intensität mit den Urhebern der Idee zusammen arbeitet. Die unternehmensbasierte Forschung und Entwicklung wurde intensiviert, um technische Details zu erarbeiten 2. Sie ist seitdem auf hohem Niveau, um mit Knowhow die führende Marktposition zu halten. Die

27 Bild 3: Die Baustelle in Völklingen im August Im Vordergrund ein Betonbinder, der die Anlagen überspannt Die Projektentwicklung war und ist erfolgreich, sodass noch in diesem Jahr die erste kommerzielle marine Fischzucht im Binnenland in Betrieb gehen wird. Der erste Spatenstich war im Jahr Im August wurden die statischen Elemente vor Ort montiert (Bild 3). Mittlerweile wurde der Hochbau abgeschlossen (Bild 4). Die 7000 Quadratmeter große Halle ist geschlossen und überdacht vier unabhängig voneinander zu betreibende Fluid-Kreisläufe mit jeweils einem Wasservolumen von 2500 Kubikmetern. Die Anlagen sind für eine Produktion von insgesamt 500 Tonnen Meeresfisch pro Jahr ausgelegt. Dabei geht Zusammenarbeit zwischen Hochschule und Unternehmen verbleibt ebenfalls auf hohem Niveau, wenn auch jetzt der Schutz des Firmen-Knowhow zunehmend an Bedeutung gewinnt. Die Umsetzung der Idee erfordert, dass der Wissentransfer, die Lehre an Hochschulen intensiviert wird, um Personalkapazitäten in neu entstehenden Unternehmen aufzubauen. Kompetente Mitarbeiter sind für den Betrieb der Anlagen unabdingbar 4. Lehre, Ausbildung und Training sind wichtige Faktoren bei der Entscheidungsfindung interessierter Wirtschaftsgruppen. Die neue Professur an der HTW war von daher ein wichtiges Signal. Bild 5: Einbau der Trommelfilter. Die Meersfischzucht Völklingen benutzt die weltweit größten Typen für die Wasseraufbereitung. Bild 4: Die Halle der Meeresfischzucht Völklingen GmbH im Frühjahr Rechts davon die Forschungshalle der Meeresfischzucht Völklingen GmbH, in der die Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes ihre Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchführt. Die sich auffächernde Kurve 5 repräsentiert weitere Projekte (I, II, III...), die auf dem ersten Projekt Meeresfischzucht Völklingen aufbauen. Die neomar GmbH vertreibt heute das Anlagenkonzept weltweit und ist damit erfolgreich. Sie verfügt über ein umfangreiches Portfolio, dass in Zusammenarbeit mit Hochschulen entwickelt wurde. Neue Arten, andere neue Anwendungsschwerpunkte und wirtschaftliche Faktoren erfordern weiterhin intensive Forschung und Entwicklung 6, die jetzt weit über Kernkompetenzen hinausgehen. Hochschulen und Forschungsinstitute benötigen sachbezogene Förderung, um die Entwicklung einer Zukunftstechnologie zu unterstützen. Forschungsschwerpunkte verändern sich. Das heißt, ursprüngliche Bereiche verlieren an Bedeutung, wie die leicht rückläufige Kurve 1 angedeutet. Dafür kommen neue Bereiche hinzu, die wichtig für die weitere Entwicklung sind, wie die rot schattierte Fläche in Bild 1 andeutet. kein Meerwasser verloren. Es wird in den Kreisläufen gehalten und kontinuierlich aufbereitet. Das war die Voraussetzung, um dieses Projekt an der Saar realisieren zu können. Momentan wird noch mit Hochdruck am Einbau der Anlagen gearbeitet. Bild 5 zeigt den Einbau der großen Trommelfilter. Sie sind eine zentrale Komponente der Wasseraufbereitung, die in 15 Jahren Forschung und Entwicklung zur Systemreife gebracht wurde. Im Bild 6 sieht man die Behälter der insgesamt drei Fluid- Kreisläufe für die Eingangskontrolle. Kein Fisch, der nicht vorher auf seinen Gesundheitszustand überprüft wurde, wird in die Produktionsanlagen eingesetzt. Bild 6: Die Eingangskontrolle, die alle Fische passieren müssen, bevor sie in die Produktionskreisläufe eingesetzt werden.

28 KONTAKT: Prof. Dr. Uwe Waller Telefon: uwe.waller@htw-saarland.de Partner aus der Wissenschaft Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung Birmingham City University Fraunhofer-Institut für Techno-und Wirtschaftsmathematik Ghent University Hochschule Bremerhaven Karlsruhe Institute of Technology Leibniz Universität Hannover 6 National University of Ireland, Dublin National University of Ireland, Galway Plymouth Marine Laboratory Queens University Belfast Technische Universität Braunschweig Scottish Association for Marine Science Swansea University (UK) University College Dublin University College - West Flanders Wageningen University Partner aus der Wirtschaft 2 Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH European Biomass Industry Association Fachagentur für nachwachsende Rohstoffe (FNR) 8 FITT Institut für Technologietransfer an der HTWdS ggmbh HYDAC INTERNATIONAL GmbH 7 Institut für Marine Ressourcen GmbH 5 Institut für Getreideverarbeitung GmbH Laborelec Ltd Provincial Development Agency, West Flanders Centre d Etude et devalorisation des Algues InCrops Enterprise Hub 1 Meeresfischzucht Völklingen GmbH National Non-Food Crops Centre 3 neomar GmbH Siemens AG 4 Subitec GmbH IMPRESSUM: Herausgeber: Der Rektor der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes Prof. Dr. Wolfgang Cornetz Redaktion/Konzeption: Prof. Dr. Uwe Waller Anschrift: Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes Goebenstraße Saarbrücken uwe.waller@htw-saarland.de Telefon: Druck: WVD Druck + Neue Medien GmbH Auflage: 2000