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Dezentralisierte Sauerstoffversorgungsanlage für Aquakultur - Dokument DE60309555T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60309555T2 08.03.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001425963
Titel Dezentralisierte Sauerstoffversorgungsanlage für Aquakultur
Anmelder Air Products and Chemicals, Inc., Allentown, Pa., US
Erfinder Mathur, Ashok N., Allentown PA 18103, US;
Yankovoy, Michael, Wescosville PA 18106, US;
Ma, Pingping, Orefield PA 18069, US;
He, Xiaoyi, Orefield PA 18069, US
Vertreter Kador & Partner, 80469 München
DE-Aktenzeichen 60309555
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 28.11.2003
EP-Aktenzeichen 030272934
EP-Offenlegungsdatum 09.06.2004
EP date of grant 08.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.03.2007
IPC-Hauptklasse A01K 63/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Aquafarming bzw. Unterwasseraufzucht. Noch spezieller bezieht sich die Erfindung auf ein Sauerstoffversorgungssystem für Aquafarming bzw. Unterwasseraufzucht von Meerestieren.

In der Geschichte wurden Meerestiere, wie Shrimps, Fisch und andere Spezies, in der Wildnis gefangen. Da der Bedarf an Meerestieren gewachsen ist und der Wildfang seine Grenzen erreicht hat, wurde eine alternative Versorgungsquelle für Meerestiere, bezeichnet als Aquafarming bzw. Unterwasseraufzucht oder Aquakultur, entwickelt. Aquakultur ist die Kultur und die Aufzucht von Meerestieren, wie Fisch oder Schalentieren.

Eines der populärsten genau so wie in höchstem Maße nachgefragten, über Aquakultur zu erzeugenden Meerestiere sind Shrimps. Aquakultur von Shrimps und anderen Meerestieren kann als extensiv, halbintensiv oder intensiv angesehen werden. Extensive Aquakulturanlagen liefern wenig oder gar keine Kontrolle über die Umgebung, das heißt Setzen der Tiere an einen Ort und Aufwachsen lassen dieser alleine oder Einfangen der Tiere in speziellen Gehegen und Halten dieser, bis sie Marktgröße erreichen. Intensive Aquakulturanlagen liefern andererseits vollständige Kontrolle der Umgebung, wie der Temperatur, dem Salzgehalt, der Flussrate, dem Nahrungsmitteltyp, der Menge an Nahrung und Licht. Halbintensive Aquakulturanlagen sind ein Hybrid aus extensiven und intensiven Abläufen.

Anfängliche Versuche mit der Aquakultur von Shrimps waren relativ einfach und wurden als extensive Anlagen angesehen. Meerwasser wurde in große Behältnisse, bezeichnet als Teiche, in interkostalen oder niedrig liegenden Gebieten gepumpt. Shrimps wurden in diese Teiche gegeben und nach einer bestimmten Zeitdauer wurden sie geerntet. Zunächst waren die gewonnenen Ernterträge sehr gering. Aufgrund des zunehmenden Bedarfs an Meerestieren wuchs jedoch der Bedarf für höhere Erträge und produktivere Verfahren. Um höhere Erträge zu erreichen, musste die Haltungsdichte der Meerestiere in den Teichen, gemessen im Hinblick auf Pfund Meerestier pro Gallone Wasser, erhöht werden.

Da die Haltungsdichte im Teich ansteigt, kann die Sauerstofferschöpfung ein Problem werden. Meerestiere, wie Shrimps, erfordern Sauerstoff zum Wachsen und Erhalten ihrer Gesundheit. Der gelöste Sauerstoffgehalt des Wassers im Teich ist einer der wichtigsten Parameter der Wasserqualität, da Sauerstoff eine lebensnotwendige Bedingung für sämtliche Meerestiere ist, die im Wasser leben und eine Atmung vom aerobischen Typ haben. Die Löslichkeit von Sauerstoff im Wasser wird durch mehrere Faktoren beeinflusst, beispielsweise aber nicht beschränkt auf atmosphärischen Druck, hydrostatischen Druck, Teichkontaminationen, wie Algen oder Bakterien, und Temperatur. Um sicher zu sein, sollte der gelöste Sauerstoffgehalt im Wasser oberhalb 3 mg/l und unterhalb etwa 15 mg/l gehalten werden, um Stress oder Abtöten der darin enthaltenen Meerestiere zu vermeiden.

Der gelöste Sauerstoffgehalt von Wasser fluktuiert normalerweise über 24 Stunden Zeitspannen. Linie A in 1 liefert eine Darstellung, die die stündlichen Fluktuationen des Prozentsatzes von gelöstem Sauerstoff in einer Zeitspanne von einem Tag in einem typischen Shrimpsteich unter Verwendung von auf Luft basierenden, kontinuierlich laufenden Belüftungsvorrichtungen zeigt. Tägliche Wechsel des gelösten Sauerstoffgehalts während einer Zeitspanne (t'' – t') können durch die nachfolgende Gleichung (1) ausgedrückt werden: O2'' – O2' = P – R – Y ± A(1) worin P die Menge an Sauerstoff darstellt, der während des Photosyntheseverfahrens des Phytoplanktons, der Phytobenthos und der Wasserpflanzen erzeugt wird; R = Menge an Sauerstoff, konsumiert während der Atmung von Bakterien-, Phyto- und Zooplankton und Organismen von Tieren und Pflanzen; Y = Menge an Sauerstoff, festgelegt durch den Schlamm des Teichbodens und A = Menge an Sauerstoff, gelöst aus der Atmosphäre, oder im Fall von Übersättigung, freigesetzt an die Atmosphäre.

Mit Bezug auf Gleichung (1) ist der einflussreichste Faktor für den gelösten Sauerstoffgehalt P abhängig von den Lichtbedingungen, weil Photosynthese nur unter Verwendung von Sonnenenergie auftreten kann. Während der Tageslichtstunden beginnt die Photosynthese allmählich in den frühen Morgenstunden und erhöht den gelösten Sauerstoffgehalt des Wassers. Der maximale Wert des gelösten Sauerstoffgehalts kann früh am Nachmittag beobachtet werden. Die Sauerstoffniveaus sind in der Regel geeignet, die Bedürfnisse der Meeresorganismen im Teich zu erfüllen, da Algen und andere Organismen Sauerstoff während des Photosyntheseverfahrens freisetzen. Von den späten Nachmittagsstunden an wird die Photosynthese jedoch schnell abgesenkt und hört in Abwesenheit von Sonnenlicht nach dem Dunkel werden auf. Zusätzlich atmen Pflanzen und/oder andere Organismen während der Nachtstunden und können weiterhin den gelösten Sauerstoffgehalt verringern. Somit kann zusätzlicher Sauerstoff oder Lüftung erforderlich sein, weil der Gehalt an gelöstem Sauerstoff unter den letalen Sauerstoffgehalt für Meerestiere fallen kann. Der letale Sauerstoffgehalt ist der gelöste Sauerstoffgehalt, der von den vorgegebenen Meerestieren in einem Teich für eine vorgegebene Zeitspanne nicht toleriert werden kann.

Zusätzlich zum Bedarf nach Ergänzung von Sauerstoff aufgrund der tägli chen Wechsel kann zusätzlicher Sauerstoff notwendig sein, wenn die Sauerstoffverbrauchsrate größer wird, als der im Wasservorrat verfügbare Sauerstoff. Der Sauerstoffverbrauch eines Meerestieres kann sich bei einer gegebenen Wassertemperatur, abhängig von der Aktivität des Tieres, beträchtlich ändern und kann mit der Sauerstoffsättigung des Wassers in Zusammenhang stehen. Die Sauerstoffverbrauchsrate von Meerestieren kann beispielsweise während der Fütterungsperiode mehr als zweimal so hoch sein. Es wird angenommen, dass die Erhöhung des gelösten Sauerstoffgehalts im Wasser die Nahrungsverbrauchsrate von Meerestieren erhöht. Folglich kann ein Erhöhen der Nahrungsrate die Wachstumsrate erhöhen. Das US-Patent Nr. 5,893,337 beschreibt ein Verfahren zur Optimierung des Wuchses von Fisch, gezüchtet in einem Teich, durch Injizieren von Sauerstoff in einer kontrollierten Menge, bevor der Fisch gefüttert wird.

Ein Absenken des gelösten Sauerstoffgehalts kann Stress und schließlich den Tod der Meerestiere verursachen. Zusätzlich kann Stress, der den Körper dazu veranlasst, Energie eher zu verwenden als zu speichern, das Immunsystem unterdrücken, wodurch das Tier einem größeren Risiko einer Erkrankung ausgesetzt wird. Es wird angenommen, dass Meerestiere eine Verringerung des gelösten Sauerstoffgehalts des Wassers wahrnehmen können, bevor diese Probleme für die Atmung hervorruft und nach Wasser mit höherem Sauerstoffgehalt suchen können. Jedoch anders als Nahrung wird angenommen, dass Meerestiere diese Bereiche höheren Sauerstoffs im Wasser nicht aus der Entfernung wahrnehmen oder feststellen können. Wenn diese Zufallssuche nach Sauerstoff nicht erfolgreich ist und der gelöste Sauerstoffgehalt des Wassers weiter abnimmt, kann sich die Atmungsbewegung des Meerestiers erhöhen, solange die Sauerstoffversorgung zu den Atmungsmuskeln möglich ist. Dies kann eine Grenze erreichen, wobei weitere Beschleunigung durch den Mangel an Sauerstoff verhindert wird. Meerestiere sind bis zu diesem Niveau tolerant. Wenn der gelöste Sauerstoffgehalt des Wassers sich weiter verringert, verlangsamt sich der Pulsschlag des Herzens und das Tier stirbt nach einer Zeit, abhängig von der Widerstandscharakteristik der individuellen Spezies.

Die Industrie war bis zu einem gewissen Punkt in der Lage, diese Probleme der Sauerstofferschöpfung zu berücksichtigen und zusätzlichen Sauerstoff durch eine Vielzahl von Maßnahmen, wie Lüftungsvorrichtungen, anzubieten. Lüftungsvorrichtungen rühren typischerweise mechanisch das Oberflächenwasser, was bewirkt, dass Sauerstoff als Luft- und Wassermischung in das Wasser diffundiert. Beispiele dieser Vorrichtungen umfassen Paddelräder, Schwerkraftlüfter, U-Röhren, Venturi-Lüfter, Oberflächenlüfter oder Blasendiffusoren (zum Beispiel feine, mittlere oder grobe Blasendiffusoren). Die Wirksamkeit der Lüftungsvorrichtung bestimmt sich durch die Menge an Oberflächengrenzfläche zwischen dem Wasser und der Luft und der erforderlichen Energie, um diese Grenzfläche zu erzeugen. Da Lüfter Luft einspritzen, ist die Menge an Luft, die im Wasser gelöst werden kann, begrenzt durch die Konzentration von Sauerstoff in Luft (21%). Möglichkeiten die Menge an gelöstem Sauerstoff im Wasser mit Luft zu erhöhen, sind daher einigermaßen begrenzt. Weiterhin wird aufgrund des Bedarfs nach höherer Produktivität und Haltungsdichte in intensiven Aquakulturanlagen, die natürliche Sauerstoffversorgung aus Luft zunehmend unzureichend und kann bei der Produktion der limitierende Faktor sein.

Die WO 01/87052 bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Oxygenierung von Wasser in Aquakulturanlagen für Meeresorganismen im Meer.

Eine weitere Lösung, um Sauerstoff zum Wasser zuzugeben, ist durch den Transport von hochreinem Sauerstoff in Form von flüssigem Sauerstoff. Dieser Ansatz überwindet die Begrenzung der Verwendung von Luft als Sauerstoffquelle. Der signifikante Vorteil des Einsatzes hochreinen Sauerstoffs ist die hohe Massentransferrate zwischen reinem Sauerstoff und Wasser aufgrund der Konzentrationsunterschiede. Weiterhin kann ein Erhöhen des gelösten Sauerstoffgehalts es ermöglichen, höhere Haltungsdichten zu erreichen. Jedoch hat sich gezeigt, dass die Logistik des Transports von flüssigem Sauerstoff zu den Anlagen und die Verteilung auf einzelne Teiche nicht kosteneffektiv und in einigen Fällen, aufgrund der typischen Aquakulturfarm-Infrastruktur, unmöglich ist. Beispielsweise sind typische Shrimpsfarmen aus einer großen Anzahl von großen etwa 1 ha großen Schlammteichen, abgetrennt durch schmale, niedrige Erhebungen, aufgebaut. Diese Erhebungen werden zum Transport von Ausrüstung, Nahrungsmittel und anderer Versorgungsmittel zu den Teichen verwendet. Da viele dieser Farmen in Küstenzwischenbereichen liegen, ist die Möglichkeit, Sauerstoffleitungen unter derartigen Bedingungen zu installieren, begrenzt. Selbst wenn die flüssige Sauerstoffanlage nahe der Farm wäre, was die Sauerstoffherstellung und Versorgungskosten minimieren könnte, wäre dieser Ansatz nicht praktisch aufgrund der hohen Anlagekosten im Hinblick auf Installieren und Aufrechterhalten der Rohrinfrastruktur. Weiterhin zeigen größere einzelne Sauerstoffherstellungs- und Leitungsverteilungssysteme an einer Stelle dieselben logistischen und Infrastrukturprobleme wie Flüssigsauerstoffrohrsysteme.

Aufgrund ihrer hohen Kosten hat hochreiner Sauerstoff in Aquakulturanlagen trotz vieler Vorteile keine Akzeptanz gefunden. Zur gegenwärtigen Zeit sind nach wie vor mechanische Lüfter die industrielle Wahl, zusätzlichen Sauerstoff bereitzustellen. Folglich ist die Möglichkeit, die Teichhaltungsdichten weiter zu erhöhen, begrenzt.

Neben Sauerstoff gibt es einen Bedarf zur Verbesserung der Nahrung und Nahrungstechniken in Aquakulturfarmen, um die Haltungsdichte aufrechtzuerhalten oder zu erhöhen. Der Bedarf für Versorgung großer Mengen an Nahrung mit regelmäßigen oder häufigen Intervallen an Teiche erfordert in der Regel große Nahrungsspeicher in Lagern an Ort und Stelle unter Verwendung intensiver Handarbeit, um das Futter manuell mit Hand und/oder unter Verwendung teurer lastwagenmontierter Gebläse herunterzulassen. Futter wird häufig manuell über den Teich verteilt durch Laufen im Teich oder Befahren dieses mit Booten. Die Blasgeräte sind ein anderes Mittel zum Verteilen der Nahrung über die Peripherie der Teiche. Dieses Fütterungsverfahren ist relativ ineffizient, weil die Meerestiere nur einen Teil des Futters verbrauchen. Manuelle Verteilung des Futters ist arbeitsintensiv und verteilt das Futter ungleichmäßig und nur in ausgewählten Teilen des Teichs. Bei verblasenem Futter kann ein Teil des Futters vom Teich weggeblasen werden oder kann von Vögeln gefressen werden. Die Abmessungen des Teichs können ebenfalls die Fütterungseffizienz beeinflussen. Beispielsweise wirft ein Nahrungsgeber vom Gebläsetyp Nahrung etwa 30 m weit und diese landet in einem Band von etwa 5 m Breite, so dass das Zentrum eines großen quadratischen Teichs nicht viel Nahrung erreichen würde. Zusätzlich hat dies hohe Betriebskosten hinsichtlich Arbeitskraft, Ausstattung und Treibstoff.

Zusätzlich zu Nahrung bzw. Futter und Sauerstoff müssen in Aquakulturfarmen zum Aufbewahrungsgefäß oder Teich periodisch Nahrungsmittelchemikalien, Medizin, Vitamine und andere Additive zugegeben werden. Chemikalien, wie Ozon, können zugegeben werden, um die Wasserqualität des Teichs zu handhaben. Medikamente können zugegeben werden, um die Meerestiere vor Erkrankungen zu schützen. Vitamine können zugegeben werden, um die Gesundheit und das Erscheinungsbild der Tiere zu verbessern. Andere Additive, wie Dünger, Chemikalien oder Kohlenstoffquellen (wie Melasse), können zur Algen- und Bakterienkontrolle zugegeben werden. Die Zugabe dieser Additive zum Aufbewahrungsgefäß stellt eine Herausforderung hinsichtlich schneller und gleichmäßiger Verteilung genau so wie Arbeitsaufwand dar.

Aufgrund der relativen Ineffizienz und hohen Kosten bei der Versorgung des Teichs mit Sauerstoff, Nahrung, Medikamenten und anderen Additiven, gibt es im Stand der Technik einen Bedarf ein System bereitzustellen, das optimal für die Sauerstoff-, Nahrungs- und Chemikalienbedürfnisse in einer Aquakulturanlage wäre. Es gibt einen weiteren Bedarf danach, ein automatisiertes oder halbautomatisiertes System bereitzustellen, das hinsichtlich der verschiedenen Produktionsbedürfnisse des Teiches eine Realzeitrückkopplung bereitstellen würde sowie ein Verteilungssystem, um diese zur Verfügung zu stellen. Ein derartiges System kann die Kosten signifikant reduzieren und die Teichproduktivität verbessern. In einigen Fällen, wenn beispielsweise der Gehalt an gelöstem Sauerstoff im Teichwasser unterhalb letaler Niveaus fällt, gibt es einen Bedarf nach einem verlässlichen, ausfallsicheren System, das den Verwender warnt und Sauerstoff zum Aufbewahrungsgefäß mit einem Niveau oberhalb des letalen Niveaus zuführt.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung befriedigt eines wenn nicht alle Bedürfnisse des Standes der Technik zur Bereitstellung eines Systems zur Bereitstellung von Sauerstoff, bevorzugt mit einem Reinheitsniveau von 30 Vol.-% oder größer, bevorzugt 50 Vol.-% oder größer, noch bevorzugter 60 Vol.-% oder größer für das Aquafarmen von Meerestieren. Gemäß Anspruch 1 gibt es ein System zur Bereitstellung von Sauerstoff mit einer Reinheit von 30% oder mehr für die Aquakultur von Meerestieren, umfassend: 20 bis 1.000 Aufbewahrungsgefäße, die eine Vielzahl von Meerestieren und ein wässeriges Medium enthalten können; eine Vielzahl von Sauerstoffinjektoren, wobei mindestens ein Sauerstoffinjektor an mindestens einer Stelle jedes Aufbewahrungsgefäßes vorhanden ist; und eine Vielzahl von Sauerstoffgeneratoren des Gases, wobei die Zahl der Aufbewahrungsgefäße zwischen 0,25 und 8 mal die Zahl der Sauerstoffgeneratoren im System beträgt; wobei jeder der Vielzahl von Sauerstoffgeneratoren in Fluidverbindung mit mindestens einem der Sauerstoffinjektoren steht, wobei die Vielzahl von Sauerstoffgeneratoren die Aufbewahrungsgefäße mit einer Menge von Sauerstoff versorgen, die ausreicht, um den Prozentsatz an in dem wässerigen Medium gelöstem Sauerstoff zu erhöhen; wobei die Sauerstoffgeneratoren in der Nähe der Aufbewahrungsgefäße oder innerhalb des Aufbewahrungsgefäßes, das sie mit Sauerstoff versorgen, angeordnet sind.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Kontrolle der Versorgung von Sauerstoff in einem Aufbewahrungsgefäß zum Farming oder der Aufzucht von Meerestieren bereitgestellt, umfassend: 20 bis 1.000 Aufbewahrungsgefäße, wobei jedes Aufbewahrungsgefäß in der Lage ist, eine Vielzahl von Meerestieren und ein wässeriges Medium, eine Vielzahl von Sensoren zum Messen des Gehaltes an gelöstem Sauerstoff Co im wässerigen Medium, eine Vielzahl von Sauerstoffinjektoren zu enthalten, wobei mindestens ein Sauerstoffinjektor innerhalb mindestens einer Stelle von jedem der Aufbewahrungsgefäße angeordnet ist; eine Vielzahl von Sauerstoffgeneratoren, wobei jeder der Sauerstoffgeneratoren sich mit mindestens einem der Sauerstoffinjektoren in Fluidverbindung befindet, wobei die Sauerstoffgeneratoren die Aufbewahrungsgefäße mit einer Menge an Sauerstoff versorgt, die ausreichend ist, um die Menge an gelöstem Sauerstoff im wässerigen Medium oberhalb des Sauerstoffgehalts Co zu erhöhen; und eine zentrale Verarbeitungseinheit in elektrischer Verbindung mit den Sensoren und mindestens einem Sauerstoffgenerator, wobei die zentrale Verarbeitungseinheit den Sauerstoffgehalt Co mit einem eingestellten Punktwert Cset vergleicht und mindestens einen Sauerstoffgenerator aktiviert, wenn der Sauerstoffgehalt Co unterhalb des eingestellten Punktwertes Cset liegt. In einem tatsächlichen Feldtest, wie in 1 gezeigt, wurde dieses System verwendet, um abzutasten, wann die gelösten Sauerstoffniveaus niedrig waren und den Sauerstoffgenerator einzuschalten, um Sauerstoff über die Sauerstoffinjektoren in den Teich einzuführen, wenn das Niveau an gelöstem Sauerstoff unterhalb 4 Milligramm/Liter (mg/l) fiel und der Sauerstoffgenerator wurde abgeschaltet, wenn der gelöste Sauerstoff oberhalb 6 mg/l betrug. Die Ergebnisse dieses Feldtests und die Variation des gelösten Sauerstoffs während des Tags ist mit der Linie B in 1 gezeigt. Unter Verwendung des Systems dieser Erfindung wurde die Menge an gelöstem Sauerstoff bei einem noch gleichmäßigeren Niveau über eine 24-Stunden-Zeitspanne unter Verwendung von weniger Energie, als wenn die mechanischen Lüftungsvorrichtungen des Standes der Technik kontinuierlich laufen gelassen wurden, aufrechterhalten. Die Erfinder haben festgestellt, dass es effizienter und für die Aufrechterhaltung der gewünschten gelösten Sauerstoffniveaus notwendig ist, bei Nacht mehr Sauerstoff zum Teich zuzugeben, als während des Tages.

Diese und andere Aspekte der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNGEN VERSCHIEDENER ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN

1 liefert eine Darstellung, die die stündlichen Fluktuationen des Prozentsatzes von gelöstem Sauerstoff in einer Eintageszeitspanne in einem typischen Shrimpsteich zeigt.

2 liefert eine Veranschaulichung einer Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung.

3 liefert eine Veranschaulichung einer Ausführungsform der Erfindung, umfassend einen tragbaren Sauerstoffgenerator und ein Überwachungssystem dieser Erfindung.

4 liefert eine Querschnittsansicht eines Aufnahmegefäßes und einen schwebenden bzw. schwimmenden Sauerstoffgenerator, der in einem System dieser Erfindung verwendbar ist.

5 liefert eine Draufsicht der Fließmuster in einem Aufbewahrungsgefäß.

6 liefert eine Draufsicht der Fließmuster in einem Aufbewahrungsgefäß.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung liefert ein System zur Bereitstellung von Gas, umfassend Sauerstoff, bevorzugt mit einer Reinheit von 30% oder mehr, über eine Vielzahl von Sauerstoffgeneratoren, angeordnet in der Nähe der Aufbewahrungsgefäße in einer dezentralisierten Art und Weise in einer Aquakulturanlage. Vorherige Verfahren der Bereitstellung von Sauerstoff, wie die Bereitstellung von flüssigem Sauerstoff, berücksichtigen nicht die Kosteneffektivitätsprobleme oder die Infrastrukturbegrenzungen von Aquakulturanlagen, die bis zur heutigen Zeit die Injektion von hochreinem Sauerstoff unpraktisch gemacht haben. Weiterhin sind Lüftungsvorrichtungen, die durch den Sauerstoffgehalt von Luft begrenzt sind, um Sauerstoff einem Aufbewahrungsgefäß zuzuführen, weniger effizient. Dies kann die Menge an Meerestieren begrenzen, die in einem vorgegebenen Teich aufgezogen werden kann, wodurch die Produktivitätssteigerung begrenzt wird. Weiterhin praktizieren Aquakulturanlagen heutzutage ineffiziente Verfahren zur Injizierung von Nahrung bzw. Futter und anderen Additiven in das Wasser. Die vorliegende Erfindung liefert ein ausfallsicheres Verfahren zur Bereitstellung von Sauerstoff zusammen mit Nahrung oder anderen Additiven, zum Wasser im Aufbewahrungsgefäß.

Der Begriff „Fluid", wie hier verwendet, bezieht sich auf fließendes Fluid, zusammengesetzt aus einem Gas, einer Flüssigkeit, suspendierten Feststoffen oder Kombinationen hiervon.

Der Begriff „Teich" oder „Aufbewahrungsgefäß", wie hier verwendet, bezieht sich nicht nur auf natürliche oder hergestellte Außenteiche, sondern auch Tanks, aufgebaut aus Metall, Kunststoff, Beton und dergleichen.

Der Begriff „Lüftungsvorrichtung" umfasst Vorrichtungen, die Luft oder Gase mit einer höheren Konzentration von Sauerstoff als Luft in das Wasser eines Aufbewahrungsgefäßes injizieren, einschließlich den Sauerstoffgeneratoren und Sauerstoffinjektoren dieser Erfindung sowie mechanischen Rührern des Oberflächenwassers, die bewirken, dass Sauerstoff als Luft- und Wassermischung in das Wasser diffundiert. Beispiele von mechanischen Rührern umfassen Paddelräder, Gravitationslüfter, U-Röhren, Venturi-Lüfter, Oberflächenlüfter oder Blasendiffusoren (zum Beispiel feine, mittlere oder grobe Blasendiffusoren).

Die vorliegende Erfindung liefert ein System, das ein Mittel zum Herstellen und Verteilen von Sauerstoff über ein Gas, umfassend Sauerstoff, zu einem oder mehreren Aufbewahrungsgefäßen in einer dezentralisierten Art und Weise bereitstellt. Das Gas ist bevorzugt zu mindestens 30 Vol.-% Sauerstoff, bevorzugt zu mindestens 50 Vol.-%, noch bevorzugter zu mindestens 60 Vol.-% Sauerstoff und der Rest des Gases, wenn überhaupt, kann größtenteils Stickstoff aufweisen. Als Folge der Bereitstellung von Sauerstoff zu den Aufbewahrungsgefäßen unter Verwendung des Systems oder Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann der gelöste Sauerstoffgehalt für ein gegebenes Aufbewahrungsgefäß beibehalten und in einem Bereich von etwa 2 mg/l bis etwa 15 mg/l oder bevorzugter von 4 mg/l bis etwa 12 mg/l gesteuert werden.

Ein Vorteil des Systems der vorliegenden Erfindung ist, dass es einem erlauben kann, die Haltungsdichte des Aufbewahrungsgefäßes relativ zu einem anderen Aufbewahrungsgefäß aus dem Stand der Technik nur unter Verwendung von mechanischen Systemen auf Luftbasis zu verbessern. Wie zuvor erwähnt, ist die Haltungsdichte das Gewicht oder die Anzahl von Meerestieren, die pro Einheitsfläche oder Volumen gehalten wird. Die Haltungsdichte kann abhängen von der Spezies der Meerestiere und der Toleranz der Tiere gegenüber Stress bei erhöhter Überbevölkerung. Krustenspezies, wie Shrimps, beispielsweise können beginnen untereinander zu kämpfen, was zu einem Verlust von Gliedern und Reduktion im Marktwert führt, wenn zu viele gehalten werden. Andere Spezies von Meerestieren, wie Finnwale, können einander beißen oder an den Flossen oder Augen kneifen, wenn sie in zu hohem Maße gehalten werden. Es wurde festgestellt, dass höhere Haltungsdichten von Meerestieren toleriert werden können, wenn andere Stressfaktoren, wie niedriger gelöster Sauerstoff, schlechte Ernährung etc., eliminiert werden. Somit kann das System der vorliegenden Erfindung durch Reduzieren des Stresses auf Meerestiere über Verbesserung der Bereitstellung von Sauerstoff und/oder von Aspekten der aquakulturellen Umgebung (zum Beispiel Reinheit, Futter, chemische und andere Additive) effiziente Produktion bei Haltungsdichten von 25 Tieren pro Kubikmeter oder größer, bevorzugt 50 Tieren pro Kubikmeter oder mehr und noch bevorzugter 100 Tiere pro Kubikmeter oder mehr erreichen. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen, wie halbintensiven oder intensiven aquakulturellen Anlagen für die Herstellung von Shrimps kann das System die effiziente Herstellung bei Shrimpgewinnungsbiomassedichten von 0,5 kg/m2 oder mehr, bevorzugt 1,2 kg/m2 oder mehr und am meisten bevorzugt 2,5 kg/m2 oder mehr erlauben. Die Biomassedichte ist ein Maß des Gewichts der gewonnenen Shrimps pro Oberflächenbereich des Teichs. Somit können relativ höhere gelöste Sauerstoffniveaus erlauben, die Haltungsdichte des Teichs zu erhöhen.

2 liefert ein Beispiel einer Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug auf 2 umfasst das System 10 die nachfolgenden Elemente: Aufbewahrungsgefäße 20, eine Vielzahl von Sauerstoffinjektoren 30 und eine Vielzahl von Sauerstoffgeneratoren 40. Das Aufbewahrungsgefäß 20 beherbergt eine Vielzahl von Meerestieren 60 in einem wässerigen Medium 50, bevorzugt frischem Wasser oder Salzwasser, abhängig von den Spezies der Meerestiere (die Meerestiere 60 und das wässerige Medium 50 werden in dem in 4 gezeigten Aufbewahrungsgefäß 20 gezeigt). Sauerstoffgeneratoren 40 erzeugen Sauerstoff und sind mit den Sauerstoffinjektoren 30 in Fluidverbindung, um Sauerstoff zu einem oder mehreren Orten in den Aufbewahrungsgefäßen 20zu verteilen. Wie in 2 veranschaulicht, sind eine Vielzahl von Sauerstoffgeneratoren 40 über das System 10 in einer derartigen Art und Weise angeordnet, dass sie eine primäre, genauso wie eine sekundäre oder „Sicherungs"- bzw. „Backup"-Versorgung für andere Aufbewahrungsgefäße im Falle eines Fehlers eines oder mehrerer anderer Sauerstoffinjektoren 30 und/oder Sauerstoffgeneratoren 40 im System bereitstellen.

Wieder mit Bezug auf 2 ist jedes Aufbewahrungsgefäß 20 im System 10 dargestellt, dass es Sauerstoff von mindestens vier verschiedenen Sauerstoffinjektoren 30 und/oder Sauerstoffgeneratoren 40 empfängt. Der exakte Ort, die Größe und die Anzahl der Sauerstoffinjektoren und/oder Generatoren variiert abhängig von derartigen Faktoren, wie Systemaufbau, der Herstellungskapazität der Sauerstoffgeneratoren, der Anzahl und Größe der Aufbewahrungsgefäße und der gewünschten Haltungsdichte. Jeder Sauerstoffinjektor 30 und Sauerstoffgenerator 40 kann irgendwo im System 10, abhängig vom Bedarf für gelösten Sauerstoff im individuellen Aufbewahrungsgefäß 20 oder innerhalb bestimmter Bereiche des individuellen Aufbewahrungsgefäßes 20, ein- oder ausgeschaltet werden. In einer Ausführungsform könnten speziell für große Teiche mehrere Sauerstoffgeneratoren mit einem oder mehreren Sauerstoffinjektoren an verschiedenen Stellen um oder schwebend bzw. schwimmend im Teich angeordnet werden; jeder Sauerstoffgenerator kann individuell kontrolliert werden, um Sauerstoff, wie für die Bereiche des Aufbewahrungsgefäßes, in dem ein oder mehrere Sauerstoffinjektoren des Sauerstoffgenerators angeordnet sind, bereitzustellen. Es können wenige oder mehr Sauerstoffgeneratoren als die Anzahl von Teichen im Aquafarmsystem vorliegen. Es ist bevorzugt, dass die Anzahl von Teichen im System zwischen 0,25 und 8 mal der Anzahl von Sauerstoffgeneratoren im System beträgt. Typischerweise bestehen die Systeme dieser Erfindung aus 20 bis zu mehr als 1.000 Teichen. Die Sauerstoffgeneratoren haben jeweils mindestens einen Sauerstoffinjektor in Fluidverbindung mit dem Sauerstoffgenerator.

Das Aufbewahrungsgefäß 20 kann irgendein Gefäß darstellen, das in der Lage ist, eine Vielzahl von Meerestieren in einem wässerigen Medium, wie frischem Wasser oder Salzwasser, zu enthalten. Abhängig von der Aquakulturanlage kann das Aufbewahrungsgefäß 20 eine Zuführungsbahn, Zirkulationstanks, Kanal, Teich oder Käfigbereiche in einem intercostalen Bereich sein, ist aber nicht hierauf beschränkt. Das Aufbewahrungsgefäß 20 kann entweder innen oder im Freien in einer Aquakulturanlage angeordnet sein. Das Volumen des Aufbewahrungsgefäßes kann von wenigen 100 bis wenigen 1.000 Gallonen reichen. In bestimmten Ausführungsformen, worin das Aufbewahrungsgefäß einen Teich darstellt, kann die Größe des Teichs von einem Hektar oder unterhalb (von 0,1 bis 1 Hektar) für intensive Aquakulturanlagen, von 1 bis 2 Hektar für halbintensive aquakulturelle Anlagen und 5 Hektar oder mehr für extensive Aquakulturanlagen, reichen. Das jährliche Produktionsniveau, gemessen in Kilogramm Meerestier pro Hektar pro Ernte, für die intensiven, halbintensiven und extensiven aquakulturellen Anlagen variiert von 5.000 oder mehr, zwischen 1.000 bis 5.000 bzw. 100 bis 1.000.

Wieder mit Bezug auf 2 ist der Sauerstoffinjektor 30 bevorzugt in enger Nähe zu einem oder mehreren Aufbewahrungsgefäßen angeordnet. Der Sauerstoffinjektor 30 kann ebenfalls im Aufbewahrungsgefäß an sich angeordnet sein, wie an ein oder mehreren Seitenwänden des Gefäßes, entlang des Bodens des Aufbewahrungsgefäßes oder schwebend bzw. schwimmend auf der Oberfläche des Aufbewahrungsgefäßes. Es ist bevorzugt, dass im Falle, dass mehr als ein Sauerstoffinjektor das Aufbewahrungsgefäß versorgt, die Sauerstoffinjektoren komplementär im Hinblick auf die anderen Stellen um oder im Aufbewahrungsgefäß angeordnet sind, um eine gleichmäßige und einheitliche Verteilung von Sauerstoff und anderen Gefäßadditiven (das heißt Nahrung, Medikamente, Vitamine etc.) sicherzustellen. Die Anordnung der Sauerstoffinjektoren kann über Computersimulation der Fluiddynamik im Gefäß bestimmt werden. In dieser Art und Weise kann eine relativ einheitliche und gleichmäßige Verteilung von Sauerstoff und anderen Gefäßadditiven erhalten werden.

In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollte der Ort der Sauerstoffinjektoren 30 festgelegt sein, um die Schichtung oder die Abtrennung von verschiedenen „Schichten" des wässerigen Mediums durch definierte Grenzen im Aufbewahrungsgefäß 20 zu minimieren, was negative Effekte auf die darin enthaltenen Meerestiere haben kann. Ein oder mehrere Sauerstoffinjektoren 30 können nahe oder am Boden des Aufbewahrungsgefäßes angeordnet sein, um ausreichende Wasserbewegung bereitzustellen und das Auftreten von Schichtbildung zu minimieren.

Der Sauerstoffinjektor 30 kann aus einer Vielzahl von verschiedenen Typen, wie einem Entlüfter, Venturi-Lüfter, Blasendiffusor, U-Röhre, Rohrleitung, die bevorzugt eine oder mehrere Perforationen enthält, Säule, einem Bikonus oder einem anderen Injektionsmittel, bestehen. In bestimmten Ausführungsformen kann der Sauerstoffinjektor 30 und der Sauerstoffgenerator 40 in einer Vorrichtung, wie einem Sauerstoffgenerator, mit einer festen oder flexibel angebrachten Leitung, einem Diffusor oder dergleichen integriert sein. Es ist bevorzugt, dass der Sauerstoffinjektor 30 so hergestellt wird, dass sich die Kontaktoberfläche erhöht und dass der Winkel oder Ort des Sauerstoffinjektors im Teich ebenfalls die Kontaktzeit zwischen Sauerstoff und dem wässerigen Medium erhöht, wodurch sich mehr Sauerstoff im wässerigen Medium lösen kann.

In bestimmten Ausführungsformen kann der Sauerstoffinjektor ein Venturi sein. Kurz gesagt ist ein Venturi eine Vorrichtung, die durch Saugen eines Fluidmediums in ein anderes unter Verwendung der Geschwindigkeit des zweiten Fluidmediums (verursacht durch Druckdifferenz) als Energiequelle arbeitet. Wenn das Wasser durch eine Verengung in einer Leitung tritt, bildet sich am Ende der Verengung ein Vakuum. Ein an diesem Punkt in die Leitung gebohrtes Loch, wo dieses Vakuum auftritt, kann bewirken, dass Luft (oder irgendein anderes Fluid) in den Hauptfluss gesaugt wird. Die Menge an eingesaugtem Fluid ist eine direkte Funktion der Differenz im Druck zwischen dem Venturi-Einlass und dem Auslass und der Größe der Verengung zwischen diesen. Ein Beispiel eines Venturi-Sauerstoffinjektors, der zur Verwendung im System der vorliegenden Erfindung geeignet ist, wird durch das US-Patent Nr. 5,863,128 bereitgestellt.

Wie zuvor erwähnt, befindet sich der Sauerstoffgenerator 40 in Fluidverbindung mit ein oder mehreren Sauerstoffinjektoren 30, um ein oder mehrere Aufbewahrungsgefäße 20 zu versorgen. Der Sauerstoffgenerator erzeugt bevorzugt Sauerstoff über Adsorptionstechniken, wie Vakuumpendeladsorption (vacuum swing adsorption, VSA) oder Druckschwingadsorption (pressure swing adsorption, PSA), die den Stickstoff durch einen Molekularfilter aus der Luft entfernt. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen kann der Sauerstoffgenerator 40 eine Vorrichtung auf Basis von VSA, wie ein VSA-Generatormodul Nr. A150L, hergestellt von Air Products and Chemicals, Inc. aus Allentown, PA, dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung, sein. Der Sauerstoffgenerator 40 ist bevorzugt eine tragbare Einheit, die über das System 10 verlagert werden kann und an ein oder mehrere Sauerstoffinjektoren 30 zu irgendeinem Zeitpunkt angeschlossen werden kann. Der Sauerstoffgenerator kann auf einer beweglichen Plattform montiert sein, die beispielsweise um die Peripherie der Aufbewahrungsgefäße bewegt oder auf einem schwimmfähigen Gestell bzw. Rahmen montiert und auf der Oberfläche des Aufbewahrungsgefäßes angeordnet sein kann. 3 zeigt den Sauerstoffgenerator 40, der Sauerstoff an das wässerige Medium 50 in den Teichen 20 über Sauerstoffinjektoren 30 bereitstellt, auf einem Wagen 401 mit Rädern 402, angeordnet benachbart zu den Teichen 20. Die Sauerstoffinjektoren 30 sind am Boden 201 der Teiche 20 angeordnet. Die Sauerstoffinjektoren 30 werden mit Löchern 31 für einen Bereich 32 der Sauerstoffinjektoren 30 am Boden 201 der Teiche 20 bereitgestellt. Die Sauerstoffinjektoren 30 können aus einer flexiblen beweglichen Leitung hergestellt sein.

4 zeigt einen Sauerstoffgenerator 40, montiert auf einer schwimmfähigen Plattform 401, schwimmend auf dem wässerigen Medium 50 in den Aufbewahrungsgefäßen 20. Meerestiere 60 befinden sich im Aufbewahrungsgefäß 20. Der gezeigte Sauerstoffinjektor 30, der mit einem Sauerstoffgenerator 40 verbunden ist, hat einen Propeller 39 und eine Zentralleitung 37, in der sich eine Öffnung (nicht gezeigt) an ihrem untersten Bereich befindet. Die Mittelleitung befindet sich in Fluidverbindung mit dem Sauerstoffgenerator 40. Das Gas, umfassend Sauerstoff, wird in das wässerige Medium über die Öffnung in der Mittelleitung 37 injiziert, und die Bewegung des Propellers 39 unterstützt die Diffusion des Sauerstoffs in das Wasser durch Erhöhen des Oberflächenbereichs des Sauerstoffs in Kontakt mit Wasser. Der Sauerstoffinjektor 30 hat zusätzlich eine schwimmfähige Plattform 38. Alternativ könnte irgendeiner der Injektoren, die früher beschrieben wurden, mit dem Sauerstoffgenerator, der in 4 gezeigt ist, verwendet werden, um oxygeniertes Gas in das Wasser zu injizieren. Der in 4 gezeigte Sauerstoffgenerator 40 kann im Teich umherwandern oder er kann über einen Anker (nicht gezeigt) an einem stationären Objekt in oder außerhalb des Teiches verankert sein, um den Sauerstoffgenerator 40 an einer Stelle zu halten, während der Propeller 39 bewirkt, dass das wässerige Medium 50 sich bewegt.

Im Gegensatz zu fest installierten Flüssigsauerstoffsystemen sind die Sauerstoffgeneratoren 40 tragbar und können hochreinen Sauerstoff zu irgendeinem der Aufbewahrungsgefäße im System 10 auf Bedarfs-Basis bereitstellen. Abhängig von dessen Größe reicht die Einheitskapazität jedes einzelnen Sauerstoffgenerators 40 von 5 l/min bis 5.000 l/min Sauerstoff. Hinsichtlich der Sauerstoffinjektoren kann die Anzahl und Kapazität der Sauerstoffgeneratoren abhängig von den Systemanforderungen variieren. In bestimmten Ausführungsformen können die VSA-Sauerstoffgeneratoren Sauerstoff mit einem relativ niedrigen Druck, zum Beispiel 0,21 bis 0,34 bar (3 bis 5 psi), erzeugen wodurch diese kompatibel werden, wenn sie für Niedrigddrucksauerstoffinjektoren, wie Entlüfter-, Venturi- oder Blasensauerstoffinjektoren verwendet werden. Wenn jedoch ein höherer Gasdruck im System erforderlich ist, kann ein Druckerhöhungskompressor an den Auslass des Sauerstoffgenerators angefügt werden, um den Druck, den der Sauerstoffinjektor zur Verfügung stellt, zu erhöhen.

Das System der vorliegenden Erfindung kann in Zusammenhang mit anderen Aquakultursystemen verwendet werden, beispielsweise aber nicht beschränkt auf Rezirkulationswasserbehandlungssysteme oder Belüftungssysteme (das heißt Schaufelrad- bzw. Paddelbelüfter, großvolumige Pumpen etc.). Wenn ausreichende Wasserbewegung durch andere Systeme oder Mittel, einschließlich anderer Belüftungsvorrichtungen, in einem Aufbewahrungsgefäß oder durch einen Sauerstoffinjektor allein bereitgestellt werden kann, dann kann nur ein Sauerstoffinjektor, der in einem Aufbewahrungsgefäß vorliegt, notwendig sein, um den gelösten Sauerstoff auf einem ausreichenden Niveau aufrechtzuerhalten, um die Gesundheit der Meerestiere aufrechtzuerhalten.

In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das System während mindestens eines Teils oder gleichzeitig mit der Sauerstoffeinführung in das Aufbewahrungsgefäß Futter abgeben. Alternativ kann das Futter vor oder nachdem der Sauerstoff in das Aufbewahrungsgefäß durch das System eingeführt wird, zugefügt werden. In diesen Ausführungsformen befinden sich Futterlagerbehälter 500, wie in 3 gezeigt, in Fluidverbindung mit ein oder mehreren Sauerstoffinjektoren über die Verbindung 501. Das Futter wird zum Sauerstoffgasstrom oder dem oxygenierten Wasserstrom für kontinuierliche oder gleichmäßige Futterverteilung zugefügt. Da das Sauerstoffsystem zu den meisten Zeiten arbeitet, kann Futter zum Teich auf Bedarfsbasis und in geeigneten Mengen zugegeben werden. Die Meerestiere können das Futter spüren und werden von diesem angezogen, während sie zu den Bereichen mit höherem gelösten Sauerstoff im wässerigen Medium gelockt werden. Folglich können die Meerestiere größere Mengen an gelöstem Sauerstoff verbrauchen, während sie das Futter zu sich nehmen. Es wurde in den Quellen, wie Water Quality in Ponds for Aquaculture, Boyd, C.E. (1990), S. 304–309 etabliert, das höhere gelöste Sauerstoffgehalte den Futterverbrauch verbessern und das Futterumwandlungsverhältnis erniedrigen (zum Beispiel Kilogramm (1bs.) Futter konsumiert pro kg (1bs.) Tier) und folglich die Wachstumsrate erhöht, während die Futterkosten abgesenkt werden. In Ausführungsformen, worin die Meerestiere Shrimps umfassen, ist es erwünscht, dass die Wachstumsrate etwa 0,8 bis 2,0 Gramm pro Woche für einen 16 bis 24 wöchigen Ertragszyklus ist.

Das System der vorliegenden Erfindung kann die Einführung von Chemikalien, wie Ozon, Medikamenten, Vitaminen und/oder anderen Additiven zum Aufbewahrungsgefäß durch Coinjektion dieser Additive mit dem Sauerstoffgasstrom oder dem oxygenierten Wasserstrom vereinfachen. Medikamente, Vitamine und andere Teichadditive können über einen Trichter 502 und Verbindung 503 in die Sauerstoffinjektoren 30 zugeführt werden. Dies ermöglicht die Verteilung dieser Additive unter Verwendung des für den Sauerstoff bereits eingerichteten Systems und verursacht keine zusätzlichen Ausstattungs- oder Laborkosten. Die Zuführgefäße dieser Additive befinden sich in Fluidverbindung mit den Sauerstoffinjektoren. Diese Materialien können zum Teich an irgendeinem gewünschten Zeitpunkt und in so hoher Menge, wie notwendig, durch die Sauerstoffinjektoren zugegeben werden. In Ausführungsformen, worin das System Ozon zusätzlich zu Sauerstoff durch die Sauerstoffinjektoren zugeben kann, kann sich der Ozongenerator in Fluidverbindung mit dem Sauerstoffgenerator befinden, um eher Sauerstoff als Luft zum Ozongenerator zuzuführen, die in Ozon umgewandelt werden kann. Das Ozon kann dann durch den (die) Sauerstoffinjektoren) abgegeben werden. 3 zeigt den Ozongenerator 600, einbezogen in den Sauerstoffgenerator 40.

In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst das System weiterhin ein Überwachungssystem. Das Überwachungssystem kann den Verwender mit bestimmten Informationen, bevorzugt auf Echtzeitbasis, über verschiedene Herstellungsparameter, wie Temperatur, gelöster Sauerstoff, pH-Wert, Ammoniak, Nitrate, Nitrite, suspendierte Feststoffe, Salzgehalt, Alkalinität, biochemischer Sauerstoffbedarf (biochemical oxygen demand, BOD), Härte, Trübheit und Wasserflussgeschwindigkeit in jedem Aufbewahrungsgefäß versorgen. Das Überwachungssystem kann diese Informationen verwenden, um eine Vielzahl verschiedener Versorgungsquellen, wie Sauerstoff, Futter, Medikamente oder andere Additive, auf automatischer Basis zu aktivieren. Eine Ausführungsform des Überwachungssystems 700 als Teil des Systems dieser Erfindung ist in 3 gezeigt. Das Überwachungssystem 700 besteht bevorzugt aus einer zentralen Verarbeitungseinheit 701, die sich über direkte Mittel in elektrischer Verbindung befindet, gezeigt als eine Leitung 703 in 3, mit einem oder mehreren Sensoren 702 und dem Sauerstoffgenerator 40. Alternativ könnte sich die zentrale Verarbeitungseinheit 701 mit dem Sensor und/oder dem Sauerstoffgenerator über ein Modem, Radio, Telekommunikation oder ähnliche Mittel in Verbindung befinden. Alternativ oder zusätzlich, obwohl nicht gezeigt, könnte das Überwachungssystem ebenfalls in elektrischer Verbindung mit verschiedenen Versorgungsquellen, wie Futtertrichtern, Ozongenerator, Sauerstoffinjektoren, Rezirkulationstankventilen, Medikamenten oder anderen Additivquellen oder dergleichen befinden. Beispiele einer geeigneten zentralen Verarbeitungseinheit umfassen, sind aber nicht beschränkt, auf Signalprozessoren, Verfahrenskontrollgeräte, Mikroprozessoren, Computer oder ähnliche Vorrichtungen, die in der Lage sind, bestimmte vorprogrammierte Informationen in Speichern festzuhalten, sowie zur Durchführung einer Vielzahl von Funktionen, wie einfache Algorithmen, Weitergeben von Daten und Ausführen von Arbeitsvorgängen.

Die Sensoren können gelöste Sauerstoffspiegel, Temperatur, pH-Wert und andere Wasserparameter messen, die sich mit einer zentralen Verarbeitungseinheit in elektrischer Verbindung befinden. Diese Parameter würden in eine zentrale Verarbeitungseinheit eingegeben werden, die die Systemelemente regeln würde, um die notwendige Injektion von Sauerstoff und anderen Materialien in das Aufbewahrungsgefäß in den geeigneten Mengen bereitzustellen. Weiterhin vergleicht die zentrale Verarbeitungseinheit diese Parameter mit einer Anzahl von voreingestellten Werten, um zu bestimmen, was jedes Aufbewahrungsgefäß zu irgendeinem vorgegebenen Zeitpunkt benötigt. Beispielsweise kann der Sensor 702 ein Sensor sein, der den gelösten Sauerstoff im wässerigen Medium misst und die zentrale Verarbeitungseinheit 701 kann den gemessen Sauerstoffgehalt C0 des wässerigen Mediums im Aufbewahrungsgefäß mit einem vorprogrammierten eingestellten Punktwert Cset vergleichen und kann den Sauerstoffgenerator aktivieren, wenn der Sauerstoffgehalt Co des wässerigen Mediums unterhalb des eingestellten Punktwerts Cset liegt. Zusätzlich kann die zentrale Verarbeitungseinheit 701 den gemessenen Sauerstoffgehalt Co des wässerigen Mediums im Aufbewahrungsgefäß mit einem zweiten vorprogrammierten, eingestellten Punktwert Cmax vergleichen und kann den Sauerstoffgenerator deaktivieren, wenn der Sauerstoffgehalt Co des wässerigen Mediums oberhalb des eingestellten Punktwerts Cmax liegt. Die eingestellten Punktwerte Cset und Cmax können innerhalb jedes Aufbewahrungsgefäßes aufgrund einer Vielzahl von Faktoren, beispielsweise, aber nicht beschränkt auf die Tageszeit, die Größe oder das Wachstum der Meerestiere, die Wachstumszykluszeit, die Jahreszeit, die Größe des Aufbewahrungsgefäßes, die Wasserqualität, etc., variieren. Trotz dieser Variationen ermöglicht das System der vorliegenden Erfindung dem Verwender, eine Vielzahl von Aufbewahrungsgefäßen unabhängig zu handhaben. Zusätzlich, obwoh n 3 gezeigt, kann der Sauerstoffgenerator 40 mit Mitteln versehen sein, zum Beispiel Ventilen, um Sauerstoff zu einem oder weniger als allen Aufbewahrungsgefäßen bereitzustellen, zu denen dieser Sauerstoff zuführt.

In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist die zentrale Verarbeitungseinheit eine Vorrichtung auf Analogbasis. Anders als eine Vorrichtung auf Digitalbasis, die eine weitere nur instruieren kann, dass sie „an" oder „aus" ist, kann eine analoge Vorrichtung eine andere Vorrichtung instruieren, dass sie eine Vielzahl anderer Zustände zwischen „an" und „aus" einnimmt. Beispielsweise kann ein analoges Signal die Geschwindigkeit der Vorrichtung regulieren (zum Beispiel 20%, 30%, 40% der vollständigen Betriebskapazität etc.). Analoge Signale werden zunehmend für Dosierungsfunktionen unter Verwendung der Rückkopplung von einem Sensor verwendet. Beispielsweise kann eine Ausgabe von einem Sauerstoffsensor der zentralen Verarbeitungseinheit mitteilen, dass die Sauerstoffkonzentration im Aufbewahrungsgefäß abnimmt. Die zentrale Verarbeitungseinheit kann ein analoges Signal senden, um das Ventil des Sauerstoffinjektors teilweise zu öffnen oder zu schließen, im Versuch, eine bleibende Sauerstoffkonzentration zu jedem Zeitpunkt aufrechtzuerhalten. Dies ist noch bevorzugter als ein gerade geöffnetes oder geschlossenes System zu haben (wie von einem Digitalsignal), da dieses Höhen und Tiefen von Sauerstoffkonzentration bewirkt, was die Tiere unter Stress setzen kann.

In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das System ebenfalls den Salzgehalt des wässerigen Mediums oder Wassers im Aufbewahrungsgefäß überwachen und regulieren. Die Regulation des Salzgehalts ist wichtig, weil Variationen im Salzgehalt Stress und akute oder chronische Mortalitäten unter Meerestieren verursachen kann. Das System kann beispielsweise ein Hydrometer oder Refraktometer einbeziehen, das sich mit der zentralen Verarbeitungseinheit in elektrischer Verbindung befindet. Das Refraktometer kann feststellen, wenn der Salzgehalt des Wassers im zu bestimmenden Aufbewahrungsgefäß sich erhöht hat, beispielsweise aufgrund von Verdampfung. Das Refraktometer kann, mit der zentralen Verarbeitungseinheit verbunden sein, das ein Ventil dirigieren kann, um sich zu öffnen, um hierdurch zusätzliches Salz oder frisches Wasser in das Aufbewahrungsgefäß zuzulassen, um den Salzgehalt zu erhöhen oder herabzusetzen.

In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das System ebenfalls den Ammoniakgehalt im wässerigen Medium oder Wasser des Aufbewahrungsgefäßes überwachen und regulieren. Die Hauptquelle von Ammoniak ist der durch die Meerestiere selbst erzeugte Abfall. Wenn der Gehalt an Ammoniak im wässerigen Medium zu hoch ist, kann dieser für die darin enthaltenen Meerestiere toxisch sein. Bakterien im Wasser des Aufbewahrungsgefäßes verbrauchen Ammoniak, wodurch der Ammoniakgehalt abgesenkt wird. Der Verbrauch von Ammoniak durch die Bakterien kann durch die Zugabe einer Kohlenstoffquelle, wie Melasse, zum Wasser unterstützt werden. Weiterhin profitieren die Bakterien ebenfalls aus einem erhöhten Niveau an gelöstem Sauerstoff im Wasser. In diesen Ausführungsformen kann das System einen Ammoniaksensor umfassen, um den Gehalt von Ammoniak im Wasser zu bestimmen, und diese Information an die zentrale Verarbeitungseinheit weiterzugeben. Wenn die Bakterien das Ammoniakniveau nicht in einem bestimmten Bereich halten können, kann die zentrale Verarbeitungseinheit ein Ventil dirigieren, um Melasse oder eine andere Kohlenstoffquelle zum Wasser zuzugeben, um den Verbrauch von Ammoniak zu erhöhen.

Obwohl die Erfindung für ein störungsfreies System und ein Verfahren, umfassend die Bereitstellung von Sauerstoff zu Aufbewahrungsgefäßen, die in der Aquakultur verwendet werden, besonders geeignet ist, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann für eine Vielzahl von anderen Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise Abwasserbehandlungsanlagen oder anderen Anwendungen, worin es wichtig ist, eine verlässliche Quelle von Sauerstoff bereitzustellen.

Durch Verwendung eines Computermodellprogramms kann die Bewegung von Fluid im Aufbewahrungsgefäß und die Lösung von Sauerstoff optimiert werden. Die Stelle und der Typ von Belüftungsvorrichtungen kann umher bewegt und geändert werden. Verschiedene Belüftungsvorrichtungen können in verschiedenen Kombinationen verwendet werden, um die gewünschten Ergebnisse zu erreichen. Die Sauerstoffgeneratoren und Sauerstoffinjektoren dieser Erfindung können mit Belüftungsvorrichtungen aus dem Stand der Technik verwendet werden, um die gewünschte Bewegung von Fluid und Oxygenierung zu erreichen. Die Bewegung von Fluid, bezogen auf die vorausgehenden und Betriebskosten der Vorrichtungen, können verglichen werden, um die ökonomischste Fluidbewegung bereitzustellen.

Die Bewegung des Wassers ist wichtig, um zu verhindern, dass Bereiche des Aufbewahrungsgefäßes niedrige Niveaus an gelöstem Sauerstoff aufweisen. Um die Verteilung der Menge an gelöstem Sauerstoff zu maximieren, ist es bevorzugt, dass sämtliches Wasser im Teich mit mindestens 4 cm/sec bewegt wird. Aufgrund der Form der meisten Aufbewahrungsgefäße ist es jedoch bevorzugt, dass mindestens ein Hauptteil des Volumens des Fluids des Gefäßes sich mit mindestens 4 cm/sec, bevorzugt zwischen 4 bis 20 cm/sec, noch bevorzugter zwischen 4 bis 10 cm/sec bewegt. In bevorzugteren Ausführungsformen bewegen sich mehr als 80%, bevorzugter mehr als 85% des Volumens des Fluids im Teich mit zwischen 4 bis 20 cm/sec, bevorzugter zwischen 4 bis 10 cm/sec.

Es wurde festgestellt, das für die besten Ergebnisse das wässerige Medium sich in den Aufbewahrungsgefäßen irgendeiner Form in mindestens einem zirkularen Wirbel bewegt, umfassend die Bewegung mindestens des Hauptteils des wässerigen Mediums in mindestens einem zirkularen Wirbel, und wenn es mehr als einen zirkularen Wirbel in den Aufbewahrungsgefäßen gibt, sollten die Wirbel komplementäre zirkulare Wirbel darstellen. Für runde Aufbewahrungsgefäße oder quadratisch geformte Aufbewahrungsgefäße, wo die Länge und Breite im Verhältnis weniger als 1,5 bis 1 darstellt, ist es bevorzugt, dass die Injektoren den Sauerstoff/die Luft über den Radius oder die Hälfte der Länge des Gefäßes injizieren und der Fluss des Fluids in einem einzelnen zirkularen Wirbel vorliegt. Bevorzugt ist die Injektion über den Radius oder die Hälfte der Länge des Gefäßes gleichmäßig, wenn möglich. Es wurde festgestellt, dass für die meisten Teiche mit einer Länge, die zwischen 1,5 und 2,4 mal der Breite liegt (beispielsweise rechteckige Teiche), es bevorzugt ist, dass das Fluid von mindestens zwei Sätzen von Belüftungsvorrichtungen bewegt wird, die das Fluid in zwei komplementären zirkularen Wirbeln bewegen, wie durch die Pfeile in 6 gezeigt. Wie gezeigt, fließen die komplementären zirkularen Wirbel in dieselbe Richtung im Volumen des Teiches, wobei die Wirbel sich treffen oder zueinander benachbart sind. Wie in der Draufsicht von 5 gezeigt, sind die zirkularen Wirbel parallel zur oberen Oberfläche des wässerigen Mediums im Aufbewahrungsgefäß. Für rechtwinklige Teiche mit einer Länge, die zwischen dem 2,5 und dem 3-fachen der Breite liegt, ist es bevorzugt, dass sich das Fluid durch mindestens drei Belüftungsvorrichtungen bewegt wird, die das Fluid in drei komplementären zirkularen Wirbeln bewegen, wie in 7 gezeigt. Wie in den 6 und 7 gezeigt, sind die helleren Bereiche Bereiche, für die die Flussgeschwindigkeit zwischen 4 cm/sec bis 20 cm/sec liegt. Wie in 6 und 7 gezeigt, sind die dunklen Bereiche 66 Bereiche, die eine Geschwindigkeit von weniger als 2 cm/sec oder weniger aufweisen. (7 zeigt die Stelle der Belüftungsvorrichtungen 88). Die Erfinder haben festgestellt, dass sich der Abfall in den Gefäßen am Boden des Gefäßes in den niedrigen oder Nichtgeschwindigkeitsbereichen 66 ansammelt. Um das Gefäß sauber und für die Meerestiere gesund zu halten, wird empfohlen, dass dieser Abfall routinemäßig so häufig und regelmäßig wie möglich aus dem Teich entfernt wird. In Teichen mit plastikausgelegtem Boden wird empfohlen, dass diese Entfernung täglich und in Teichen mit erdhaltigem Boden sollte sie mindestens einmal die Woche durchgeführt werden. Durch Reinigen nur des niedrigen Geschwindigkeitsbereichs kann das meiste, wenn nicht gar alles, des Abfalls effizient aus dem Gefäß entfernt werden. Zusätzlich, um eine Verschwendung von Futter zu vermeiden, sollte das Futter für die Meerestiere nicht zu Bereichen mit niedriger Geschwindigkeit zugegeben werden, und sollte nur zu Bereichen des Gefäßes zugegeben werden, die zwischen 4 cm/sec bis 20 cm/sec, bevorzugt von 4 cm/sec bis 10 cm/sec liegen, wenn die Belüftungsvorrichtungen, die das Wasser bewegen, arbeiten. Jegliches Futter, das in Bereichen niedriger Geschwindigkeit landet, führt zur Erschöpfung des Sauerstoffs, noch mehr, wenn es sich zersetzt. Um zusätzlich eine Futterverschwendung zu verhindern, sollten die Belüftungsvorrichtungen, die das Fluid bewegen, bevorzugt mindestens 5 Minuten vor dem Füttern ausgeschaltet werden. Durch Ausschalten der Belüfter, die das Fluid bewegen, wird das Futter durch das Fluid nicht herumbewegt, bis es sich in Bereichen niedriger Geschwindigkeit des Teichs absetzt, die dort sind, wo die gelösten Sauerstoffniveaus niedrig sind und wo sich die Shrimps nicht befinden. Das Futter geht in dem Bereich niedriger Geschwindigkeit verloren und trägt zu den geringen aeroben Teichbedingungen für Shrimps bei. Nachdem man einige Zeit, bevorzugt 15 Minuten bis 2 Stunden, gefüttert hat, können die Belüftungsvorrichtungen, die das Fluid bewegen, erneut gestartet werden.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele in größeren Einzelheiten veranschaulicht, aber es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt sein soll.

BEISPIELE Beispiel 1

Zuführung von Sauerstoff zu einem oberirdischen Tilapiaproduktionstank Ein 7.570 Liter-(2.000 Gallonen)-Tank zur Herstellung von Tilapiafisch (Buntbarsch) wird bei einer Temperatur von etwa 28°C gehalten. Der Prozentsatz an gelöstem Sauerstoff im Tank betrug 2,0 mg/l.

Ein tragbarer Vakuumpendelabsorptions-(VSA)-Sauerstoffgenerator mit 7,36 kW (10 PS), bereitgestellt von Air Products and Chemicals aus Allentown, PA, wurde über eine Sauerstoffgasleitung an einen Keramikdiffusor mit Sauerstoffinjektoren, angeordnet am Boden des Tanks, verbunden. Der Sauerstoffgenerator liefert Sauerstoff mit einer Reinheit von 90% oder mehr an den Tank mit einer Geschwindigkeit von 120 Liter pro Minute oder 250 SCFH bei einem Druck im Bereich von 0,21 bis 0,34 bar (3 bis 5 psi). Der Keramikdiffusor hatte einen Staudruck von 3,4 bar (50 psi). Der Sauerstoffgenerator wurde weiter mit einem Sauerstoffkompressor mit 1 PS verbunden, um den Ausgangsdruck aus dem Sauerstoffgenerator auf 4,1 bar (60 psi) zu erhöhen. Der Prozentwert an gelöstem Sauerstoff im Tank nach einer Stunde des Verbindens mit dem Sauerstoffgenerator betrug 8,0 mg/l.

Die vorliegende Erfindung veranschaulicht, dass ein tragbarer VSA-Sauerstoffgenerator den Prozentsatz an gelöstem Sauerstoff im Tilapiaproduktionstank erhöhen kann. Anders als bei vorhergehenden Verfahren des Injizierens von Sauerstoff in den Tank, wie einem Flüssigsauerstoffversorgungstanksystem, liefert die Verwendung des tragbaren VSA-Sauerstoffgenerators eine Menge an Sauerstoff für den Produktionstank mit einem Bruchteil der monatlichen Betriebskosten zur Verwendung eines Flüssigsauerstoffversorgungstanksystems. Beispielsweise waren die Betriebskosten für den tragbaren VSA-Sauerstoffgenerator 280 $ pro Monat gegenüber 1500 $ pro Monat für das Flüssigsauerstoffversorgungssystem, basierend auf einem Preis von 0,06 $ pro kW. Die Kosten für das Flüssigsauerstoffversorgungssystem waren exklusive der Kosten im Zusammenhang mit der Sauerstofftankmiete und dem Management der Sauerstoffversorgung. Weiterhin, anders als bei den Verfahren im Stand der Technik, wie einer Belüftung, ist der Verwender auf die Anzahl der Meerestiere, die im Tank gehalten werden können, beschränkt.

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf mehrere bevorzugte Ausführungsformen dargestellt, aber der Umfang der vorliegenden Erfindung wird als breiter als diese Ausführungsformen angesehen und sollte durch die nachfolgenden Ansprüche festgelegt sein.


Anspruch[de]
System (10) für die Bereitstellung von Gas, umfassend Sauerstoff mit einer Reinheit von 30 Vol.-% oder mehr zum Aquafarming bzw. zur Unterwasseraufzucht von Meerestieren, umfassend 20–1000 Aufbewahrungsgefäße (20), wobei jedes Aufbewahrungsgefäß (20) in der Lage ist, eine Vielzahl von Meerestieren und ein wässeriges Medium (50) zu enthalten; eine Vielzahl von Sauerstoffinjektoren (30), wobei mindestens ein Sauerstoffinjektor (30) an mindestens einer Stelle jedes Aufbewahrungsgefäßes (20) vorhanden ist; und eine Vielzahl von Sauerstoffgeneratoren (40) des Gases, wobei die Zahl der Aufbewahrungsgefäße (20) zwischen 0,25 und 8 mal die Zahl der Sauerstoffgeneratoren (40) im System (10) beträgt; wobei jeder der Vielzahl von Sauerstoffgeneratoren (40) in Fluidverbindung mit mindestens einem der Vielzahl von Sauerstoffinjektoren (30) steht, wobei die Vielzahl von Sauerstoffgeneratoren (40) die Aufbewahrungsgefäße (20) mit einer Menge an Sauerstoff versorgen, die ausreicht, um den Prozentsatz an in dem wässerigen Medium gelösten Sauerstoff zu erhöhen; wobei die Sauerstoffgeneratoren (40) in der Nähe der Aufbewahrungsgefäße (20) oder innerhalb des Aufbewahrungsgefäßes, das sie mit Sauerstoff versorgen, angeordnet sind. System nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Nahrungsquelle in Fluidverbindung mit mindestens einem der Vielzahl von Sauerstoffinjektoren. System nach Anspruch 2, weiterhin umfassend eine Medizinquelle in Fluidverbindung mit mindestens einem der Vielzahl von Sauerstoffinjektoren (30). System nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Ozonquelle in Fluidverbindung mit mindestens einem der Vielzahl von Sauerstoffinjektoren (30). System nach Anspruch 4, worin die Ozonquelle sich in Fluidverbindung mit mindestens einem der Vielzahl von Sauerstoffgeneratoren (40) befindet. System nach Anspruch 1, worin die Vielzahl von Sauerstoffgeneratoren (40) über Vakuum-Schwungabsorption funktionieren. System nach Anspruch 1, worin mindestens einer der Vielzahl von Sauerstoffgeneratoren (40) auf Rädern (402) montiert ist. System nach Anspruch 1, worin mindestens einer der Vielzahl von Sauerstoffgeneratoren (40) auf einem schwimmfähigen Träger (401, 402) montiert ist. System nach Anspruch 1, worin der Gehalt an gelöstem Sauerstoff im wässerigen Medium (50) größer als 4 mg/l ist. System nach Anspruch 1, worin bei Nacht mehr Sauerstoff über die Sauerstoffinjektoren (30) an die Aufbewahrungsgefäße (20) zugeführt wird als während des Tages. System nach Anspruch 1, weiterhin umfassend:

einen Sensor (702) zur Messung des Gehalts an gelöstem Sauerstoff Co in dem wässerigen Medium in mindestens einem der Vielzahl von Aufbewahrungsgefäßen (20); und

eine zentrale Verarbeitungseinheit (701) in elektrischer Verbindung mit dem Sensor (702) und mit mindestens einem der Vielzahl von Sauerstoffgeneratoren (40), wobei die zentrale Verarbeitungseinheit (701) den Sauerstoffgehalt Co mit einem gesetzten Wert Cset vergleicht, und den mindestens einen Sauerstoffgenerator aktiviert, wenn der Sauerstoffgehalt Co unter den gesetzten Wert Cset fällt.
System nach Anspruch 1, worin das mindestens eine Aufbewahrungsgefäß eine Vielzahl von Shrimps umfasst, wobei die Schrimps-Biomassendichte beim Abernten mindestens 0,5 kg/m2 oder mehr beträgt. System nach Anspruch 1, worin weiterhin jeder der Sauerstoffgeneratoren (40) als primärer Versorger des Gases zu mindestens einem Aufbewahrungsgefäß (20) und als ein Backupversorger des Gases für mindestens ein weiteres Aufbewahrungsgefäß (20) dient. System nach Anspruch 1, worin das wässerige Medium (50) eine obere Oberfläche aufweist und wobei sich das wässerige Medium (50) in der Vielzahl von Aufbewahrungsgefäßen (20) in mindestens einem zirkularen Wirbel parallel zur oberen Oberfläche bewegt. System nach Anspruch 1, worin das wässerige Medium (50) eine obere Oberfläche aufweist und wobei sich das wässerige Medium (50) in der Vielzahl von Aufbewahrungsgefäßen (20) in mindestens zwei komplementären zirkularen Wirbeln parallel zur oberen Oberfläche bewegt. System nach Anspruch 1, worin die Hauptmenge des wässerigen Mediums (50) sich mit mindestens 4 cm/sec bewegt. System nach Anspruch 1, worin das Aufbewahrungsgefäß (20) weiterhin einen Radius oder eine Länge aufweist, und die Vielzahl von Sauerstoffinjektoren (30) über dem Radius oder der Hälfte der Länge des Aufbewahrungsgefäßes (20) angeordnet sind. System nach Anspruch 26, worin weiterhin das wässerige Medium (50) eine obere Oberfläche aufweist und das wässerige Medium sich in mindestens einem zirkularen Wirbel parallel zur oberen Oberfläche bewegt. System nach Anspruch 1, worin jedes der Aufbewahrungsgefäße (20) einen Bodensatzschlamm aufweist, wobei der Schlamm sich in einem Gebiet ansammelt, das weniger als 20% des Bodenbereichs ausmacht.






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