Robustes Automatisierungskonzept für die Produktion von Algenbiomasse im Freiland

Nachhaltige energetische Nutzung von Algen

Die Produktion von Biokraftstoffen auf Basis von Nahrungs- bzw. Futtermittelpflanzen (z. B. Biodiesel aus Raps- oder Palmöl) konkurriert direkt mit der Nahrungs- und Futtermittelproduktion. Bei der Herstellung von Biokraftstoffen der zweiten Generation mit Pflanzen, die nicht als Nahrungs- oder Futtermittel verwendet werden wie Jatropha, kommt es zu einer Konkurrenz um den Wasserverbrauch und die Anbauflächen. 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. Von Algen produzierte Öle können als Biokraftstoff genutzt, entstehende Abgase in den Prozess zurückgeführt und die verbleibende Restbiomasse zu Biogas vergoren werden. Um den Prozess in den technischen Maßstab zu übertragen, haben wir eine standardisierte Prozessautomatisierung für die Kultivierung von Mikroalgen entwickelt.

Anforderungen an den Produktionsprozess

Für die kommerzielle Produktion von Mikroalgen und deren Verwendung als nachhaltiger Energieträger ist eine Kultivierung im Freiland unter der Nutzung von Sonnenenergie unabdingbar. Eine besondere Herausforderung an die Prozesssteuerung stellen hierbei die wechselhaften Witterungsbedingungen und der gegebene Tag-Nacht-Rhythmus dar. Für diese Gegebenheiten muss ein möglichst robuster Prozess zur Biomasseproduktion mit hohem Automatisierungsgrad und einfacher Messtechnik etabliert werden. Daher sollte die Prozesssteuerung ausschließlich auf der Messung von pH-Wert und Reaktortemperatur basieren.

Entscheidende Parameter

Mikroskopische Aufnahme der Mikroalge Chlorella vulgaris SAG211-12.

Fließschema eines 30-L-FPA-Reaktors der Freilandanlage.

Ausgangsbasis für alle Untersuchungen war der Biomasseproduktionsprozess mit der Mikroalge Chlorella vulgaris in einem 30-L-Flachplatten-Airlift (FPA)-Reaktor. Zur Realisierung eines stabilen Produktionsprozesses ist es entscheidend, die Mikroalgenkultur kontinuierlich mit Kohlenstoffdioxid zu versorgen, benötigte Nährstoffe wie Ammonium zur Verfügung zu stellen sowie pH-Wert und Temperatur in einem optimalen Bereich zu halten. Je höher der Anteil von CO2 in der Zuluft, desto mehr löst sich als Kohlensäure im Kulturmedium. Dies senkt den pH-Wert. Dem entgegen wirkt das im Medium gelöste Ammonium: Je höher die Ammoniumkonzentration, desto höher der pH-Wert im Kulturmedium. Des Weiteren wird die Löslichkeit von CO2 im Medium von dessen Zusammensetzung und der Temperatur beeinflusst. Wenn in einem solchen System der pH-Wert über den Kohlenstoffdioxidanteil der Zuluft kontinuierlich geregelt wird, kann hieraus auf die Ammoniumkonzentration im Reaktor geschlossen werden. Dieser Zusammenhang wurde herangezogen, um den Nährstoffverbrauch im Reaktor zu ermitteln. Basierend auf diesen Berechnungen konnten wir erfolgreich Fütterungszyklen steuern sowie eine Nährstoff- und Kohlendioxidlimitierung ausschließen.

Speicherprogrammierbare Steuerung

Freilandanlage zur Mikroalgenproduktion mit 30-L-FPA-Reaktoren.

Prozessvisualisierung auf dem Anzeigedisplay der Steuerung SIMATIC S7-1200.

Das Automatisierungskonzept wurde entsprechend dem gängigen Industriestandard mithilfe einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SIMATIC S7-1200, Siemens) realisiert und im Freiland auf einem Versuchsstand mit 30-L-Flachplatten-Airlift-Reaktoren etabliert. Beim Aufbau der Steuerungssoftware wurde auf ein hohes Maß an Anwender- und Bedienerfreundlichkeit geachtet.

Der Gesamtprozess wurde auf einem Anzeigedisplay visualisiert und alle Online-Daten kontinuierlich erfasst. Die Steuerungssoftware ist modularisiert aufgebaut und somit einfach auf neue Produktionsanlagen zu übertragen. Einzelne Programmbausteine lassen sich neu kombinieren und können dazu beitragen, auch andere Produktionsprozesse in der Algenbiotechnologie zu steuern.

Erfolgreicher Biomasseproduktionsprozess

Verlauf der Biomassekonzentration der Freilandkultur Chlorella vulgaris während der Versuchsdauer von 113 Tagen.

Mithilfe der Automatisierung konnten wir einen stabilen Wachstumsprozess im Freiland etablieren. Über einen Zeitraum von 113 Tagen wurde mit einer mittleren Produktivität von 0,50 g/(L*d) Biomasse produziert, wobei die durchschnittliche Biomassekonzentration zum Erntezeitpunkt bei 8,5 g/L lag. Die Prozesskontrolle und -steuerung erfolgten ausschließlich anhand von Reaktortemperatur und pH-Wert. Der etablierte Prozess ist unabhängig von einer konstanten Produktivität und eignet sich somit für eine Freilandproduktion mit wechselnden Licht- und Temperaturbedingungen. Aufbauend auf diesen Versuchen gilt es, den Produktionsprozess in den industriellen Maßstab zu übertragen und die Produktionskosten weiter zu senken.

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung des Projekts »EtaMax – Mehr Biogas aus lignocellulosearmen Abfall- und Mikroalgenreststoffen durch kombinierte Bio-/Hydrothermalvergasung«, Förderkennzeichen 03SF0350A.

Projektpartner

  • Daimler AG
  • EnBW Baden-Württemberg AG
  • FairEnergie GmbH
  • Fraunhofer IVV
  •  Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
  • Netzsch Mohnopumpen GmbH
  • Paul Scherrer Institut PSI
  • Stadt Stuttgart
  • Stulz Wasser- und Prozesstechnik GmbH