Sauerstoffmessung in Aquakulturen

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Um eine nachhaltige Aquakultur zu gewährleisten, ist eine kontinuierliche Messung der die Wasserqualität bestimmenden Parameter erforderlich. Unter anderem müssen Sauerstoff und Trübung präzise gemessen bzw. geregelt werden. Mit einer Kombination aus zwei Sensoren in Verbindung mit einem Anzeige-gerät/Regler bietet Jumo eine robuste und gleichzeitig einfach zu bedienende Lösung an.

Bild 1: Aufnahme einer Aquakultur mit den verschiedenen Tanks, in denen Fische gezüchtet werden. (Bilder: Jumo)

Eine steigende Weltbevölkerung, sich ändernde Ernährungsgewohnheiten hin zu einem hohen Fischkonsum und die Überfischung der Meere sind für die globale Nahrungsmittelsicherung große Herausforderungen. Daher stellt die Aquakultur, d.h. die kontrollierte Aufzucht insbesondere von Fischen und Meeresfrüchten, einen heutzutage äußerst bedeutenden Markt für die Produktion von tierischem Eiweiß dar. Um Aquakulturen sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch nachhaltig zu betreiben, sind optimale Lebensbedingungen für die Aufzucht erforderlich. Neben der Futtermittelqualität ist die Wasserqualität in den Aquakulturanlagen ein entscheidender Faktor für das Wachstum, die Gesundheit und somit letztlich für die Qualität der Tiere als Nahrungsmittel. Daher sind die kontinuierliche Überwachung und regelmäßige Kontrolle der qualitätsbestimmenden Parameter wie Temperatur, Salzgehalt, pH-Wert, Sauerstoff und Trübung eine Notwendigkeit für die Stabilität guter Wasserbeschaffenheit.

Der Trend geht zu auto- matisierten Kreislauf-Systemen; dementsprechend wächst auch die Nachfrage nach dem Einsatz von Online-Mess- und Regelungssystemen. Diese sollten möglichst einfach in der Handhabung, robust und wartungsarm sein. All diese Anforderungen erfüllen die neuen digitalen Systeme von Jumo. Eingesetzt werden diese unter anderem von der niederländischen Firma Trintech. Dieser Anlagenbauer hat sich auf Automatisierungslösungen spezialisiert, die in der Fischzucht (Aquakulturen), in Gewächshäusern oder in der Landwirtschaft zum Einsatz kommen.

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Vorkalibrierte Sensoren
Als Systemlieferant hat Jumo den neuen Sauerstoffsensor Jumo ecoLine O-DO und das dazugehörige Anzeigegerät/Regler Jumo Aquis 500 RS im Programm. Anschließbar an das gleiche Anzeigegerät ist ein weiterer digitaler Sensor, der Trübungssensor Jumo ecoLine NTU. Beide Sensoren arbeiten nach optischen Verfahren mit digitaler Signalverarbeitung. Die Messwerterfassung und die Kompensation um die erforderlichen Einflussfaktoren erfolgen durch die im Sensorkopf eingebaute Elektronik. Hier hinterlegt sind zudem die Daten der letzten zehn erfolgreich durchgeführten Kalibrierungen. Der Vorteil dieser Technik: Die Sensoren müssen nicht mehr an Ort und Stelle kalibriert werden – dies kann vorab zum Beispiel im Labor erfolgen. Die so vorkalibrierten Sensoren sind dann im Feld sofort einsatzbereit.

Bild 2: Die Einbausituation der Sensoren in der Aquakultur.

Die digitale Signalübertragung zum Anzeigegerät/Regler Jumo Aquis 500 RS erfolgt über Modbus-RTU-Protokoll und garantiert eine störungsfreie Messung. Die optischen Messprinzipien sind abhängig vom Sensortyp und werden im Folgenden näher erläutert.

Optische Sauerstoffmessung Jumo ecoLine O-DO
Das Messprinzip des Jumo ecoLine O-DO basiert auf der Lumineszenz-Methode. Bei dieser Methode wird auf einer für Sauerstoff permeablen Membran auf der Innenseite eine lichtsensitive Farbschicht (Luminophor) aufgebracht und mit kurzwelligem Licht angeregt. Nachdem ein Teil als Wärmeenergie abgestrahlt wird, fällt der Luminophor zeitverzögert unter Ausstrahlung von längerwelligem Licht wieder in seinen Grundzustand zurück. Diffundiert im Prozessmedium gelöster Sauerstoff durch die Membran und trifft auf einen angeregten Luminophor, so wird die Energie strahlungslos vom Luminophor auf das Sauerstoffmolekül übertragen. Die Intensität und das Abklingverhalten der Lumineszenzstrahlung sind proportional zur Sauerstoffkonzentration.

Bild 3: Die beiden Jumo-Sensoren zur Sauerstoffmessung (links) und zur Trübungsmessung (rechts).

Technisch wird bei der Messung das Erregerlicht moduliert und aus der Phasenverschiebung zwischen Anregungs- und Lumineszenzstrahlung wird die Sauerstoffkonzentration bestimmt. Hierbei handelt es sich um eine rein physikalische Zeitmessung, welche sich sehr präzise durchführen lässt. Im Gegensatz zu amperometrischen Sensoren wird bei der optischen Messung chemisch kein Sauerstoff verbraucht. Eine Mindestanströmung des Sensors ist deshalb nicht notwendig. Sie ist allerdings hilfreich, um die Membran zu reinigen und vor Bakterienbewuchs (Fouling) zu schützen.

Bei der optischen Methode wird kein Elektrolyt benötigt. Der Sensor besitzt darüber hinaus keine Elektroden, die durch Elektrodengifte wie etwa Schwefelwasserstoff angegriffen werden können. Aus diesen Gründen weisen optische Sauerstoffsensoren ein geringeres Driftverhalten auf, besitzen eine bessere Langzeitstabilität und müssen nicht so oft kalibriert werden. Auch die sonst übliche Polarisation entfällt. Die Handhabung des Sensors ist folglich einfacher und der Wartungsaufwand wird erheblich reduziert. Das hilft, Kosten zu sparen und Ausfallzeiten der Messstelle während der Wartungsarbeiten zu minimieren.

Bild 4: Grafische Darstellung der Messprinzipien für den Sauerstoffsensor (links) und den Trübungssensor (rechts).

Der robuste Sensor im Edelstahlgehäuse verfügt über einen Messbereich von 0 bis 20 mg/l und kann in einem Temperaturbereich von 0 bis 60 °C eingesetzt werden.

Optische Trübungsmessung Jumo ecoLine NTU
Trübes Wasser führt langfristig zu Krankheiten und Wachstumsproblemen bei Fischen, weshalb die Trübung auf ein Minimum reduziert werden muss. Daher ist die kontinuierliche Überwachung des Wassers, aber auch der Aufbereitungsanlagen, deren wesentliche Aufgabe die Entfernung von Partikeln ist, mittels Trübungsmessung erforderlich.

Bild 5: Der Jumo Aquis 500 RS kann als Anzeigegerät/Regler für die beiden Sensoren eingesetzt werden.

Der Jumo ecoLine NTU ist für diesen Einsatzzweck konzipiert. Das Messprinzip des Sensors beruht auf einer Infrarotlichtmessung nach dem 90 °-Streulichtprinzip gemäß DIN EN ISO 7027. Der Sensor sendet Infrarotlicht bei einer Wellenlänge von 880 nm aus. Dieses Licht wird von suspendierten Partikeln gestreut und dieses Streulicht wird dann vom Sensor detektiert. Ausgelegt ist der Sensor für einen Messbereich von 0 bis 4 000 NTU. Er ist daher für Wässer mit geringer bis mittlerer Trübung einsetzbar.

Das Sensorgehäuse des Jumo ecoLine NTU besteht aus PVC und zeichnet sich durch eine schlanke und robuste Bauweise aus. Einsetzbar ist er bei Medientemperaturen bis 50 °C. Als Zubehör sind sowohl für den Jumo ecoLine O-DO als auch den Jumo ecoLine NTU Eintauch- und Durchflussarmaturen erhältlich.

Automatische Sensor-Erkennung des Messumformers
Der Jumo Aquis 500 RS wurde zum Anschluss von digitalen Sensoren mit Modbus-RTU- Schnittstelle entwickelt. Das Gerät ist als Einkanalgerät konzipiert, wobei unerheblich ist, welcher Sensortyp angeschlossen wird. Die Besonderheit stellt die automatische Sensorerkennung des Messumformers dar. Eine Suchroutine erkennt selbstständig, ob zum Beispiel ein Sauerstoffsensor Jumo ecoLine O-DO oder ein Trübungssensor Jumo ecoLine NTU angeschlossen ist – und wählt automatisch die zugehörigen Kommunikationsparameter. Das erlaubt auch wenig geschulten Anwendern eine schnelle und unkomplizierte Inbetriebnahme der Messstelle.

Als Feldgerät mit Schutzart IP 67 für den Einsatz vor Ort konzipiert, kann er bei Bedarf auch im Schaltschrank montiert werden. Klartext-Anzeigen im Display erleichtern die Bedienung, eine Hintergrundbeleuchtung erlaubt das Ablesen auch bei widrigen Lichtverhältnissen. Der Messumformer ist mit zwei Relais ausgestattet, die es ermöglichen, Schalt-, Überwachungs- und Regel-aufgaben zu realisieren. Im Betrieb bewährt hat sich beispielhaft die Überwachung von zwei Grenzwerten für den Sauerstoffgehalt in Aquakulturen. Sobald der Wert für den gelösten Sauerstoff unter einen eingestellten Grenzwert fällt, öffnet der Jumo Aquis 500 RS mit Hilfe des ersten Relaiskontaktes ein Ventil, wodurch mit Sauerstoff angereichtes Wasser in das Zuchtbecken geleitet werden kann. Sollte der Sauerstoffgehalt hingegen in einer Notsituation (zum Beispiel durch einen Pumpenausfall) unterhalb eines kritischen Sicherheitsgrenzwertes fallen, sorgt der zweite Relaiskontakt für das Einschalten einer Ersatzpumpe, um zusätzlichen Sauerstoff in das Becken einzublasen.

Über die beiden Stromausgänge werden der Messwert für den gelösten Sauerstoff und die Temperatur an ein übergeordnetes System weitergegeben und ermöglichen so zum einen die Dokumentation der Wasserqualität für die Zucht als auch den Einfluss der Fischzucht auf die Umwelt.

Fazit
Die Kombination der beiden Sensoren Jumo ecoLine O-DO und Jumo ecoLine NTU in Verbindung mit dem Anzeigegerät/Regler Jumo Aquis 500 RS ist eine robuste und einfach zu bedienende Lösung zur Messung bzw. Regelung von gelöstem Sauerstoff sowie der Trübung. Die Kombination liefert einen Beitrag zur Optimierung des Fischertrags und reduziert gleichzeitig den Wartungsaufwand der Messstellen.

AUTOREN
Ulrike Storm
Produktmanagerin
ulrike.storm@jumo.net

Dr. Jan Bösche
Produktmanager
jan.boesche@jumo.net

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