Flachplatten-Airlift-Photobioreaktor (FPA-PBR)

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.

Lichtversorgung aller Zellen durch geringe Schichtdicke

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.

Gezielte Strömungsführung durch statische Mischer

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. Zur Skalierung in Pilotanlagen können mehrere 180-Liter-Reaktoren modular miteinander verbunden werden.

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

Photobioreaktoren nach dem Flachplattenprinzip bieten durch ihr hohes Oberfläche-zu- Volumen-Verhältnis den großen Vorteil, besonders viel Licht auf alle Algenzellen zu verteilen. Eine gute Durchmischung des Reaktorvolumens erhöht durch Lichtintegration diesen Effekt, was im Vergleich mit anderen etablierten Systemen und je nach kultiviertem Algenstamm zu höchsten Biomasse- und Produktproduktivitäten führt.

Limitierungen der Freilandkultivierung

Die bisher überwiegend angewandte Freilandkultivierung von Algen, die durch stark schwankende Licht- und Temperaturbedingungen gekennzeichnet ist, ermöglicht trotz der Wahl der fortschrittlichsten Flachplatten-Reaktorsysteme wiederum nur geringe Raum-/Zeitausbeuten. Erschwerend für einen breiten Einsatz der Systeme kommt ein zu geringer Technologiereifegrad hinzu. Insbesondere für eine schnelle, modulare Skalierung und Kommerzialisierung der Technologie müssen die Investitions- und Betriebskosten signifikant gesenkt werden.

Höhere Produktivität und ganzjähriger Betrieb durch künstliche Beleuchtung

Die künstliche Beleuchtung von Photobioreaktoren stellt eine zunehmende Alternative dar, um Algen mit Photonen zu versorgen. Da die LED-Industrie in den letzten Jahren einen enormen Effizienzsprung gemacht hat sowie ein rasanter Preisverfall der kleinen SMD-Chips in der Massenfertigung stattfindet, ermöglicht dies in zunehmendem Maße einen witterungsunabhängigen Ganzjahresbetrieb industrieller Algenanlagen bei einer konstanten Produktqualität. Die Stromkosten belaufen sich dabei auf ca. 80 bis 90 Prozent der Betriebskosten, wobei die Kühlung der Systeme nur noch eine untergeordnete Rolle spielt. Der Energieeinsatz beläuft sich dabei bisher auf ca. 150 kWh/kg Algenbiomasse für einstufige Prozesse im industriellen Einsatz. Erste Laborergebnisse zeigen einen verbesserten Energieeinsatz von ca. 80 bis 100 kWh/kg Algenbiomasse bei einer weiteren signifikanten Steigerung der Produktivität im Vergleich mit dem volatilen Sonnenlicht in Outdoorsystemen. 

In verschiedenen Projekten ist es durch Weiterentwicklungen und Optimierung des Photobioreaktor-Systems gelungen, den Energieeinsatz pro Kilogramm Algenbiomasse weiter zu senken. So hat die Algenkultivierung mit künstlicher Beleuchtung, verglichen mit dem Flächenverbrauch landwirtschaftlicher Produktion, eine 500-fach bessere Flächenausnutzung zur Folge. Diesen Vorteil erkauft man sich mit einem hohen Elektrizitätsbedarf von ca. 70 – 100 kWh pro Kilogramm Algenbiomasse. 

Kompakter und modularer Photobioreaktor durch Stack-Bauweise

Ziel weiterer Konzepte und Untersuchungen war es, eine kostengünstige modular skalierbare Reaktorplattform zu schaffen, welche je nach Algenstamm, Markt und Produkt vorteilhaft in der Prozessindustrie eingesetzt werden kann.  Aspekte wie geringe »Downtime« durch schnelle Reinigbarkeit und Flexibilität in der Handhabung solcher Anlagen waren bei der Weiterentwicklung ebenso zu berücksichtigen wie eine gute Durchmischung und vorteilhafte Temperierung im Betrieb.

Schlüsselelement hierbei war ein neuartiger kompakter Stack-Aufbau der Photobioreaktoren zu einem modularen Reaktorsystem. Dieser zeichnet sich durch flächige LED-Beleuchtung und das Zusammenschalten der einzelnen Reaktorkammern zu einem Gesamtvolumen aus.

Vergleicht man die Ausbeuten in diesen Systemen mit der landwirtschaftlichen Produktion, kann durch die extrem kompakte Bauweise auf wenigen Quadratmetern dieselbe Menge Biomasse produziert werden, wie zuvor auf einem ganzen Hektar mit Sonnenlicht. Nutzt man für ein solches System Strom aus erneuerbaren Energien, beispielsweise durch Kopplung mit Photovoltaik, zeigt sich schon heute – je nach Produkt – ein wirtschaftlicher Betrieb.