Photobioreaktor – Wikipedia

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EIN Photobioreaktor ((PBR) ist ein Bioreaktor, der eine Lichtquelle verwendet, um phototrophe Mikroorganismen zu kultivieren.[1] Diese Organismen nutzen die Photosynthese zur Erzeugung von Biomasse aus Licht und Kohlendioxid und umfassen Pflanzen, Moose, Makroalgen, Mikroalgen, Cyanobakterien und Purpurbakterien. In der künstlichen Umgebung eines Photobioreaktors werden bestimmte Bedingungen für die jeweilige Spezies sorgfältig kontrolliert. Somit ermöglicht ein Photobioreaktor viel höhere Wachstumsraten und Reinheitsgrade als irgendwo in der Natur oder in naturähnlichen Lebensräumen. Hypothetisch könnte phototrope Biomasse aus nährstoffreichem Abwasser und Rauchgas Kohlendioxid in einem Photobioreaktor gewonnen werden.

Offene Systeme[edit]

Der erste Ansatz zur kontrollierten Produktion von phototrophen Organismen war ein natürlicher offener Teich oder ein künstlicher Laufbahnteich. Dabei wird die Kultursuspension, die alle notwendigen Nährstoffe und Kohlendioxid enthält, in einem Kreislauf herumgepumpt und über die Flüssigkeitsoberfläche direkt vom Sonnenlicht beleuchtet. Dieses Konstruktionsprinzip ist die einfachste Produktionsmethode für phototrophe Organismen. Offene Systeme erreichen jedoch aufgrund ihrer Tiefe (bis zu 0,3 m) und der damit verbundenen reduzierten durchschnittlichen Lichtversorgung nur begrenzte Flächenproduktivitätsraten. Darüber hinaus ist der Energieverbrauch relativ hoch, da große Mengen Wasser mit geringer Produktkonzentration verarbeitet werden müssen. Freiflächen sind in Gebieten mit dichter Bevölkerung teuer, während Wasser in anderen Gebieten selten ist. Der Einsatz offener Technologien verursacht hohe Wasserverluste durch Verdunstung in die Atmosphäre.

Geschlossene Systeme[edit]

Seit den 1950er Jahren wurden verschiedene Ansätze durchgeführt, um geschlossene Systeme zu entwickeln, die theoretisch höhere Zelldichten von phototrophen Organismen und damit einen geringeren Bedarf an zu pumpendem Wasser als offene Systeme bieten. Darüber hinaus werden durch geschlossene Konstruktionen systembedingte Wasserverluste vermieden und das Risiko einer Kontamination durch Landungswasservögel oder Staub minimiert.[2] Alle modernen Photobioreaktoren haben versucht, ein Gleichgewicht zwischen einer dünnen Schicht Kultursuspension, einer optimierten Lichtanwendung, einem geringen Energieverbrauch beim Pumpen, Investitionen und mikrobieller Reinheit herzustellen. Es wurden viele verschiedene Systeme getestet, aber nur wenige Ansätze konnten im industriellen Maßstab funktionieren.[3]

Überarbeitete Laborfermenter[edit]

Der einfachste Ansatz ist die Neugestaltung der bekannten Glasfermenter, die in vielen biotechnologischen Forschungs- und Produktionsanlagen weltweit auf dem neuesten Stand der Technik sind. Der Moosreaktor zeigt beispielsweise ein Standardglasgefäß, das extern mit Licht versorgt wird. Die vorhandenen Kopfdüsen werden zur Sensorinstallation und zum Gasaustausch verwendet.[4] Dieser Typ ist im Labormaßstab weit verbreitet, wurde jedoch aufgrund seiner begrenzten Gefäßgröße nie in größerem Maßstab etabliert.

Röhrenförmige Photobioreaktoren[edit]

Röhrenförmiger Glasphotobioreaktor

Dieser aus Glas- oder Kunststoffrohren hergestellte Photobioreaktortyp hat sich im Produktionsmaßstab bewährt. Die Rohre sind horizontal oder vertikal ausgerichtet und werden von einer zentralen Versorgungsanlage mit Pumpe, Sensoren, Nährstoffen und CO versorgt2. Röhrenförmige Photobioreaktoren werden weltweit vom Labor bis zum Produktionsmaßstab etabliert, z. B. zur Herstellung des Carotinoids Astaxanthin aus den Grünalgen Haematococcus pluvialis oder zur Herstellung von Nahrungsergänzungsmitteln aus den Grünalgen Chlorella vulgaris. Diese Photobioreaktoren profitieren von den hohen Reinheitsgraden und ihren effizienten Leistungen. Die Biomasseproduktion kann auf einem hohen Qualitätsniveau erfolgen und die hohe Biomassekonzentration am Ende der Produktion ermöglicht eine energieeffiziente Weiterverarbeitung.[5] Aufgrund der jüngsten Preise für Photobioreaktoren sind wirtschaftlich realisierbare Konzepte heute nur auf hochwertigen Märkten zu finden, z. B. Nahrungsergänzungsmittel oder Kosmetika.[6]

Die Vorteile von röhrenförmigen Photobioreaktoren im Produktionsmaßstab werden auch auf den Labormaßstab übertragen. Eine Kombination des genannten Glasgefäßes mit einer dünnen Rohrschlange ermöglicht relevante Biomasseproduktionsraten im Laborforschungsmaßstab. Durch die Steuerung durch ein komplexes Prozessleitsystem erreicht die Regulierung der Umgebungsbedingungen ein hohes Niveau.[7]

Weihnachtsbaum Photobioreaktor[edit]

Ein alternativer Ansatz wird durch einen Photobioreaktor gezeigt, der in einer sich verjüngenden Geometrie aufgebaut ist und ein spiralförmig angebrachtes, durchscheinendes Doppelschlauch-Schaltungssystem trägt.[8] Das Ergebnis ist ein Layout ähnlich einem Weihnachtsbaum. Das Rohrsystem besteht aus Modulen und kann theoretisch im Freien bis zum landwirtschaftlichen Maßstab skaliert werden. Ein dedizierter Standort ist nicht entscheidend, ähnlich wie bei anderen geschlossenen Systemen, und daher ist auch nicht Ackerland geeignet. Die Materialwahl sollte Biofouling verhindern und hohe endgültige Biomassekonzentrationen gewährleisten. Die Kombination von Turbulenzen und dem geschlossenen Konzept sollte einen sauberen Betrieb und eine hohe Betriebsverfügbarkeit ermöglichen.[9]

Plattenphotobioreaktor[edit]

Kunststoffplatten-Photobioreaktor

Ein anderer Entwicklungsansatz ist bei der Konstruktion auf Kunststoff- oder Glasplatten zu sehen. Platten mit unterschiedlichem technischen Design werden montiert, um eine kleine Schicht Kultursuspension zu bilden, die eine optimierte Lichtversorgung bietet. Darüber hinaus ermöglicht der im Vergleich zu Rohrreaktoren einfachere Aufbau die Verwendung kostengünstigerer Kunststoffe. Aus dem Pool verschiedener Konzepte, z. B. mäanderförmige Strömungskonstruktionen oder bodengasige Systeme, wurden realisiert und gute Ausgabeergebnisse gezeigt. Einige ungelöste Probleme sind die Lebensdauer des Materials oder die Bildung von Biofilmen. Anwendungen im industriellen Maßstab sind durch die Skalierbarkeit von Plattensystemen begrenzt.[10]

Im April 2013 wurde die IBA in Hamburg in Betrieb genommen, ein Gebäude mit integrierter Glasplatten-Photobioreaktorfassade.[11]

Horizontaler Photobioreaktor[edit]

Horizontaler Photobioreaktor mit zickzackförmiger Geometrie

Dieser Photobioreaktortyp besteht aus einer plattenförmigen Grundgeometrie mit in regelmäßigen Abständen angeordneten Spitzen und Tälern. Diese Geometrie bewirkt die Verteilung des einfallenden Lichts über eine größere Oberfläche, was einem Verdünnungseffekt entspricht. Dies hilft auch bei der Lösung eines Grundproblems bei der phototrophen Kultivierung, da die meisten Mikroalgenarten empfindlich auf hohe Lichtintensitäten reagieren. Die meisten Mikroalgen erfahren bereits bei Lichtintensitäten eine Lichtsättigung, die erheblich unter der maximalen Tageslichtintensität von ungefähr 2000 W / m liegt2. Gleichzeitig kann eine größere Lichtmenge genutzt werden, um die Photokonversionseffizienz zu verbessern. Das Mischen erfolgt durch eine Rotationspumpe, die eine zylindrische Rotation der Kulturbrühe bewirkt. Horizontale Reaktoren enthalten im Gegensatz zu vertikalen Konstruktionen nur dünne Medienschichten mit einem entsprechend niedrigen hydrodynamischen Druck. Dies wirkt sich positiv auf den notwendigen Energieeinsatz aus und senkt gleichzeitig die Materialkosten.

Folienphotobioreaktor[edit]

Der Druck der Marktpreise hat zur Entwicklung von Photobioreaktortypen auf Folienbasis geführt. Preiswerte PVC- oder PE-Folien werden zu Beuteln oder Gefäßen montiert, die Algensuspensionen bedecken und sie Licht aussetzen. Die Preisspanne der Photobioreaktortypen wurde mit den Foliensystemen erweitert. Es ist zu beachten, dass diese Systeme eine begrenzte Nachhaltigkeit aufweisen, da die Folien von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden müssen. Für einen vollständigen Saldo muss auch die Investition für die erforderlichen Unterstützungssysteme berechnet werden.[12]

Poröser Substrat-Bioreaktor[edit]

Poröser Substrat-Bioreaktor (PSBR), entwickelt an der Universität zu Köln, auch als Doppelschichtsystem bekannt, verwendet ein neues Prinzip, um die Algen mittels einer porösen Reaktoroberfläche, auf der die Mikroalgen in Biofilmen eingeschlossen sind, von einer Nährlösung zu trennen. Dieses neue Verfahren reduziert die für den Betrieb benötigte Flüssigkeitsmenge um den Faktor hundert gegenüber der derzeitigen Technologie, mit der Algen in Suspensionen kultiviert werden. Das PSBR-Verfahren reduziert den Energiebedarf erheblich und erhöht gleichzeitig das Algenportfolio, das kultiviert werden kann.

Ausblick[edit]

Die Diskussion um Mikroalgen und ihre Potenziale bei der Kohlendioxidbindung und der Herstellung von Biokraftstoffen hat Entwickler und Hersteller von Photobioreaktoren unter hohen Druck gesetzt.[13] Keines der genannten Systeme ist heute in der Lage, phototrophe Mikroalgenbiomasse zu einem Preis zu produzieren, der mit Rohöl konkurrieren kann. Neue Ansätze testen zB Tropfmethoden, um ultradünne Schichten für maximales Wachstum unter Anwendung von Rauchgas und Abwasser zu erzeugen. Darüber hinaus wird weltweit viel über gentechnisch veränderte und optimierte Mikroalgen geforscht.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ “Photobioreaktor – Definition, Glossar, Details – Oilgae”. Glossar. Oilgae. Abgerufen 10.03.2015.
  2. ^ Fahrbahn. G. (2013). Auf dem Laufenden: Algen-Biokraftstoffe. 1. Smashwords. S. 1–9. ISBN 9781301351961.
  3. ^ U-Boot-Projekt: Konstruktionsprinzipien für Photobioreaktoren
  4. ^ Decker, Eva; Ralf Reski (2008). “Aktuelle Erfolge bei der Herstellung komplexer Biopharmazeutika mit Moosbioreaktoren”. Bioprozess- und Biosystemtechnik. 31 (1): 3–9. doi:10.1007 / s00449-007-0151-y. PMID 17701058.
  5. ^ Oliva, Giuseppina; Ángeles, Roxana; Rodríguez, Elisa; Turiel, Sara; Naddeo, Vincenzo; Zarra, Tiziano; Belgiorno, Vincenzo; Muñoz, Raúl; Lebrero, Raquel (Dezember 2019). “Vergleichende Bewertung eines Biotrickling-Filters und eines röhrenförmigen Photobioreaktors zur kontinuierlichen Verringerung von Toluol”. Journal of Hazardous Materials. 380: 120860. doi:10.1016 / j.jhazmat.2019.120860. PMID 31302359.
  6. ^ Pulz. O. (2001). “Photobioreaktoren: Produktionssysteme für phototrophe Mikroorganismen”. Angewandte Mikrobiologie und Biotechnologie. 57 (3): 287–293. doi:10.1007 / s002530100702. PMID 11759675.
  7. ^ Algenbeobachter: IGV Biotech präsentiert neuartiges Algen-Screening-System
  8. ^ F. Cotta, M. Matschke, J. Großmann, C. Griehl und S. Matthes; “Verfahrenstechnische Aspekte eines flexiblen, tubbezogenen Systems zur Algenproduktion” (Prozessbezogene Aspekte eines flexiblen, tubulären Systems zur Algenproduktion); DECHEMA 2011
  9. ^ Großmann Ingenieur Consult GmbH: Aufbau eines Biosolarzentrums in Köthen, 6. März 2011.
  10. ^ Handbuch der Mikroalgenkultur. 1 (2. Aufl.). Blackwell Science Ltd. 2013. ISBN 978-0-470-67389-8.
  11. ^ Briegleb, Till (25.03.2013). “IBA Hamburg – Eröffnung, Algenhaus, Worldquartier”. Kunstmagazin. Archiviert von das Original am 28.03.2013.
  12. ^ Zittelli, Graziella; Liliana Rodolfi; Niccolo Bassi; Natascia Biondi; Mario R. Tredici (2012). “Kapitel 7 Photobioreaktoren für die Herstellung von Mikroalgen-Biokraftstoffen”. In Michael A. Borowitzka, Navid R. Moheimani (Hrsg.). Algen für Biokraftstoffe und Energie. Springer Science & Business Media. S. 120–121. ISBN 9789400754799.
  13. ^ Spolaore. P.; et al. (2006). “Kommerzielle Anwendungen von Mikroalgen” (PDF). Zeitschrift für Biowissenschaften und Bioingenieurwesen. 102 (2): 87–96. doi:10.1263 / jbb.101.87. PMID 16569602.

Externe Links[edit]


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