Prozessentwicklung in Photobioreaktoren

Flachplatten-Airlift-Photobioreaktor

© Foto 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

© Foto 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

Referenzprojekte

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 sich bei der Kultivierung von Mikroalgen zahlreiche Vorteile. Hierzu zählen ein höherer Ertrag pro Fläche, ein verminderter Wasserbedarf und die Möglichkeit, Mikroalgen auf landwirtschaftlich nicht nutzbarer Fläche zu kultivieren.

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Lipidreiche Algenbiomasse als regenerativer Energieträger

Eine definierte, gleichbleibende Qualität der Biomasse mit hohem Lipidgehalt stellt eine optimale Grundlage für die Entwicklung eines Aufarbeitungsprozesses zur Gewinnung von Biodiesel aus Algen dar.

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