Prozessentwicklung in Photobioreaktoren

Flachplatten-Airlift-Photobioreaktor

© Fraunhofer IGB
Freilandanlage am Fraunhofer CBP in Leuna

Wichtigster Prozessparameter in der Photobioreaktortechnik ist die Intensität des Lichts, die auf jede einzelne Zelle im Reaktorvolumen wirkt. Sie bestimmt die Wachstumsrate und Zellkonzentration der Algen und damit die Biomasseproduktivität. Die gleichmäßige Lichtverteilung auf alle Zellen, welche durch eine gezielte Durchmischung im Reaktor erreicht wird, ist demnach der bedeutendste Faktor in der Algenbiomasseproduktion.

Im Fraunhofer IGB wurde eine Reaktorplattform entwickelt und patentiert (WO 00926833.5; EP 1326959), die nach dem Prinzip eines Airlift-Reaktors funktioniert und hinsichtlich Lichtverteilung und Energieeintrag optimiert wurde. Im Gegensatz zu bisher entwickelten Reaktoren handelt es sich beim FPA-Reaktor (Flachplatten-Airlift-Reaktor) um einen voll durchmischten Reaktor, in welchem durch eine geringe Schichtdicke und gezielte Strömungsführung über statische Mischer eine verbesserte Licht- und Substratversorgung aller Algenzellen erreicht wird.

Zwischen den statischen Mischern erzeugen aufsteigende Gasblasen eines Luft-CO2-Gemisches ein Strömungsprofil, in dem die Algen in kurzen Zeitabständen aus der unbeleuchteten Reaktorzone zum Licht an die Reaktoroberfläche transportiert werden. Mittels dieser Technik werden hohe (direkte) Sonnenlichtintensitäten auf alle Zellen gleichmäßig verteilt. So ist garantiert, dass alle Zellen ausreichend mit Licht versorgt und hohe Zelldichten erreicht werden. Dies erhöht die Wirtschaftlichkeit des Produktionsprozesses.

Der Reaktor wird mittels Tiefziehtechnik aus Kunststofffolie in Form von zwei Halbschalen inklusive der statischen Mischer hergestellt und ist in Größen von 6, 28 und 180 Litern über die Subitec GmbH, ein Spin-off des Fraunhofer IGB, erhältlich. Mehrere 180-Liter-Reaktoren können für Pilotanlagen modular miteinander verbunden werden.

Automatisierung der Photobioreaktoren

© Fraunhofer IGB
Prozessvisualisierung auf dem Anzeige­display der Steuerung SIMATIC S7-1200.

Um den Prozessablauf auch im Freiland licht- und temperatur­unabhängig zu gestalten, wurde ein Automatisierungskonzept mit möglichst einfacher Messtechnik entwickelt. Über eine speicherprogrammierbare Steuerung (SIMATIC S7-1200, Siemens) werden sowohl die Reaktortemperatur als auch der pH-Wert in den Reaktoren geregelt.

Die Regelung des pH-Werts erfolgt über den CO2-Gehalt in der Zuluft: Je höher dieser ist, desto mehr CO2 löst sich als Kohlensäure im Kulturmedium, wodurch der pH-Wert sinkt. Dem entgegen wirkt das im Medium gelöste Ammonium: Steigt die Ammoniumkonzentration, erhöht sich der pH-Wert im Kulturmedium. Durch die kontinuierliche Regelung kann aus dem CO2-Gehalt in der Zuluft auf die Ammoniumkonzen­tration im Reaktor geschlossen werden. Dieser Zusammenhang wurde herangezogen, um den Nährstoffverbrauch im Reaktor zu ermitteln. Basierend auf diesen Berechnungen können wir erfolgreich Fütterungs- und Erntezyklen automatisieren, die eine Prozessführung unabhängig von den klimatischen Bedingungen erlaubt. Daneben ist auch eine zeitliche Steuerung von Fütterungs- und Erntezyklen möglich.

Beim Aufbau der Steuerungssoftware wurde auf ein hohes Maß an Anwender- und Bedienerfreundlichkeit geachtet. Der Gesamtprozess wird auf einem Touchpanel visualisiert und alle Online-Daten werden kontinuierlich erfasst. Die Steuerungssoftware ist modularisiert und somit einfach auf weitere Produktionsprozesse in der Algenbiotechnologie übertragbar.

Vorteile der Automatisierung

  • Kontinuierliche Prozessüberwachung
  • Automatisierte Fütterungs- und Erntezyklen möglich

Bei Abschätzung der Ammoniumkonzentration in der Kultur über den CO2-Gehalt in der Zuluft:

  • Konstante Nährstoffversorgung der Algen
  • Gleichmäßige Nährstoffkonzentration in der Kultur durch geringe Fütterungsmengen
  • Fütterung abhängig von Verbrauch, unabhängig von Witterung und damit insbesondere für die Freiland­kultivierung geeignet
  • Wachstumslimitierungen durch Mediumskomponenten sind detektierbar (über sinkende Ammonium­verbrauchs­rate)
  • Überwachung des Wachstums möglich, wenn die benötigte Ammoniummenge pro Gramm Biomasse bekannt ist

Skalierung mikroalgenbasierter Prozesse und maßgeschneiderte Produktion funktioneller Inhaltstoffe

Für die Produktion maßgeschneiderter Mikroalgenbiomasse von P. tricornutum in Flat-Panel-Airlift-Fotobioreaktoren (FPA) wurde am Fraunhofer IGB ein zweistufiger Prozess entwickelt und im Technikum des Fraunhofer CBP in Leuna erfolgreich in den Pilotmaßstab skaliert. Die Kieselalge akkumuliert signifikante Mengen an Laminarin unter stickstofflimitierten Bedingungen. Laminarin ist ein Energie- und Kohlenstoffspeichermolekül in P. tricornutum und für die Anwendung im Lebensmittel-, Futtermittel- und Agrarsektor von Interesse, da es beispielsweise immunmodulatorische Eigenschaften besitzt.

 

 

Vergleich der Biomasseakkumulation mit vorherigen Experimenten.

Neuer zweistufiger Produktionsprozess

In einer ersten Stufe wurde die Biomasse unter optimalen Wachstumsbedingungen produziert. In der zweiten Stufe wurde die Laminarinakkumulation durch N-Limitierung ab 5 g TS/L induziert und die Erntekonzentration bei 10 g TS/L erreicht. Unter diesen nährstofflimitierten Bedingungen verdoppelte sich nicht nur die Biomassekonzentration, sondern Laminarin konnte bis zu einem Anteil von 25 Prozent (w/w) des Trockengewichts angereichert werden. Die Biomasse enthielt auch > 1 Prozent Fucoxanthin und > 3 Prozent EPA. Nach der Ernte wurde einer kleinen Kulturmenge erneut frisches Nährmedium zur Verfügung gestellt und der Zyklus erneut gestartet. Die Kultur erholte sich nach jedem weiteren Zyklus unter diesen ungünstigen Bedingungen − auch noch nach 10 Tagen.

Vergleich der Skalierungsstrategie anhand des verwendeten Volumens im Scale-up und der finalen Produktion mit vorherigen Experimenten.

Scale-up mit Reaktorverbund

Weiterhin wurde für diesen zweistufigen Prozess eine beschleunigte Scale-up-Strategie etabliert, die in einem 30-Liter-Flachplattenreaktor (FPA) mit künstlicher Beleuchtung beginnt. Diese Vorkultur wurde dann als Starterkultur für ein Langzeitkultivierungsexperiment in einem neuartigen, 900 Liter fassenden modularisierten Gewächshausreaktorverbund (bestehend aus fünf 180-Liter-FPAs) verwendet, um dann in einem weiteren Schritt unter Freilandbedingungen auf das endgültige Produktionsvolumen von 2700 Litern mit zusätzlich zehn 180-Liter-FPA-Reaktoren zu skalieren. Von April bis September wurden auf diese Weise über 80 Kilogramm Biomasse produziert – mit der Hälfte des Produktionsvolumens im Vergleich zu früheren Experimenten und einer durchschnittlichen Produktivität von 0,4 g/L*d.

Maschinelles Lernen für die Algenkultivierung

Simulation der Lichtverteilung in einem FPA-Reaktor.

Obwohl der grundlegende Mechanismus des Mikroalgenwachstums gut untersucht ist, gibt es nur wenige mathematische Modelle, mit denen das Mikroalgenwachstum abgebildet werden kann. Solche Modelle sind vor allem für die Kultivierung von Mikroalgen im großen Maßstab wichtig und dienen als Basis für ein robustes, prädiktives Steuerungssystem. Ein wesentlicher Baustein dabei sind Algorithmen, die eine automatische Optimierung der mathematischen Modelle ermöglichen. Das sogenannte maschinelle Lernen wird häufig für die Vorhersage und Optimierung in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt.

Zur Vorhersage des Wachstumsverhaltens der Mikroalge Phaeodactylum tricornutum im Freiland werden am Fraunhofer IGB sogenannte Support Vector Machines (SVM) eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass das SVM‑basierte Modell die Wachstumsrate von Phaeodactylum tricornutum mit einem Korrelationskoeffizienten von 88 Prozent vorhersagen kann. Gleichzeitig ergibt ein Modell mit Monod‑Kinetik einen Korrelationskoeffizienten von 82 Prozent. Diese beiden Modelle werden sowohl im Labor‑ als auch im Pilotmaßstab weiter validiert, um eine modellprädiktive Regelung für die Mikroalgenproduktion zu etablieren.

 

Referenzprojekte

FuTuRes – Bewertung eines Bioraffinerieansatzes zur Produktion von Carotinoiden und Omega-3-Fettsäuren

Ziel des Projekts FuTuReS ist die ökonomische und ökologische Charakterisierung eines Prozesses zur Co‑Produktion des Carotinoids Fucoxanthin und der Omega‑3‑Fettsäure Eicosapentaensäure (EPA) mit der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum im Industriemaßstab in Deutschland.

Automatisierungskonzept für Produktion von Algenbiomasse im Freiland

Öl aus Mikroalgen ist eine potenzielle Alternative zu pflanzlichen Biokraftstoffen und wird zur »dritten Generation« von Biokraftstoffen gezählt. Gegenüber dem Anbau höherer Pflanzen ergeben zahlreiche Vorteile: ein höherer Ertrag pro Fläche, ein verminderter Wasserbedarf und die Möglichkeit, Mikroalgen auf landwirtschaftlich nicht nutzbarer Fläche zu kultivieren.