Bronkhorst

Durchflussregelung sorgt für kontinuierliches Algenwachstum - kontrollierte CO2-Zufuhr in der Algenzucht

01. September 2020 Jornt Spit

Unser Gastblogger ist diesmal Dr. Jornt Spit, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Forschungsgruppe Radius der belgischen Thomas More Fachhochschulgruppe. Er befasst sich vor allem mit Biochemie und Biotechnologie. Die Wissenschaftler der Forschungsgruppe Radius arbeiten an der Entwicklung einer erneuerbaren Biomasse aus eigens gezüchteten Algen und Insekten, die anschließend im Rahmen einer Bioökonomie zu wertvollen Rohstoffen weiterverarbeitet werden. Bei ihrer Arbeit nutzen sie Massendurchflussregler von Bronkhorst, um Kohlendioxid exakt dosiert hinzufügen zu können.

CO2 als wertvolle alternative Kohlenstoffquelle

Kohlendioxid (CO2) hat in den vergangenen Jahren zunehmend an Bedeutung als wertvolle Kohlenstoffquelle gewonnen. Natürlich erhält auch die ansteigende CO2-Konzentration in der Atmosphäre immer mehr öffentliche Aufmerksamkeit. Da unsere Gesellschaft immer mehr Wert auf Nachhaltigkeit legt, arbeiten wir an der Thomas More Fachhochschule an der Weiterentwicklung der Kreislaufwirtschaft und der Bioökonomie. Das bedeutet, dass Materialien, Chemikalien und Energie aus erneuerbaren (Energie-)Quellen stammen und nicht aus fossilen Kraftstoffen. Alternative Biomasse kann in diesem Zusammenhang eine wichtige Quelle werden.

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Unsere Forschungsgruppe befasst sich mit der Erzeugung von erneuerbarer Biomasse, unter anderem in Form von Algen. Die Zucht erfolgt unter kontrollierten Bedingungen in den großen horizontalen Röhren eines Fotobioreaktors (s. Bild). Als Quelle nutzen wir sauberes CO2. Die von uns angebauten Algen sind vielseitig einsetzbar. Zum Beispiel können sie in der Futtermittelbranche („Feed“), in der Lebensmittelindustrie („Food“), im Gesundheitswesen („Neutrazeutika“) oder in der Kosmetikbranche eingesetzt werden. Als Forschungsgruppe befassen wir weniger mit der Ausarbeitung dieser praktischen Anwendungen, sondern konzentrieren uns auf die Optimierung der Algenzucht, d.h. auf die verfahrenstechnischen Aspekte.

​Umwandlung von Algen in wertvolle Rohstoffe

Mikroalgen bilden eine sehr große und diverse Gruppe. Bekannt sind über 50.000 verschiedene Arten, aber wahrscheinlich gibt es mehrere hunderttausend Arten. In der Regel handelt es sich um Einzeller, die in manchen Fällen auch Kolonien bilden können. Algen sind photoautotrophe Organismen, die CO2 als Kohlenstoffquelle nutzen und durch Photosynthese in Zucker umwandeln. Die von uns gezüchteten Mikroalgen enthalten besonders viele interessante Stoffe. An erster Stelle stehen Eiweiße, Zucker und Fette. Darüber hinaus produzieren Mikroalgen hochwertige Chemikalien wie Pigmente und Antioxidantien. Unter anderem züchtet Radius eine spezielle Alge, die den kostbaren roten Farbstoff Phycoerythrin produziert. Algen sind im Grunde kleine Fabriken, die viele dringend benötigte Stoffe herstellen. Um diese Stoffe synthetisch zu produzieren, müssen wir also nicht unbedingt das Rad neu erfinden. Algen bringen alle evolutionären Voraussetzungen mit, um diese Stoffe herzustellen, und brauchen dazu lediglich etwas Sonne, CO2 und diverse Nährstoffe. Es besteht also ein erhebliches Potenzial für die Verwendung dieser Stoffe.

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Eine Algenkultur wächst und verdichtet sich durch Zellteilung. Wenn die Umstände dies zulassen, teilen sich die Algen, bis die Kultur ihre maximale Dichte erreicht hat. Ist dieser Punkt erreicht, werden die Algen geerntet: Die Algenbiomasse ist also selbst das Produkt. In unseren hermetischen Fotobioreaktoren erreichen wir eine Dichte von 1 bis 2 Gramm Trockenmasse pro Liter, die wir ernten können. Diese Biomasse kann unmittelbar als Nährstoff oder Futtermittel verwendet werden, aber wir können sie auch weiterverarbeiten, „aufbrechen“, und die gewünschten Stoffe mittels Bioraffinierung oder Extraktion isolieren. Der gesamte Prozess der Algenzucht, -ernte und -weiterverarbeitung ist eine große Herausforderung, bei der jeder Schritt wichtig ist und möglichst effizient umgesetzt werden muss, damit das Verfahren rentabel bleibt.

Massendurchflussregler für exakte Zufuhr

Um das Wachstum zu optimieren, ist es wichtig, Algen auszuwählen, die unter den hiesigen Bedingungen gut wachsen. Nicht alle Algen können CO2 mit der gleichen Effizienz speichern, und nicht alle Algen wachsen mit der gleichen Geschwindigkeit. Wir untersuchen, bei welchen Temperaturen die verschiedenen Algenarten am besten wachsen und wie viel Licht sie benötigen. Auf unserem Campus nutzen wir natürliches Sonnenlicht, da die Fotobioreaktoren in einem klimakontrollierten Treibhaus untergebracht sind. Tagsüber scheint die Sonne, sodass die Algen wachsen. In den Nächten findet kein Wachstum statt. Im Rahmen des Interreg-Projekts „EnOp“ arbeiten wir u.a. mit dem folgenden Forschungsauftrag: Wie viel schneller wachsen die Algen, wenn wir den Reaktor mit CO2 anreichern, und welche Algenarten sind besonders effizient beim Speichern von CO2? Dafür brauchen wir Massendurchflussregler, denn wir wollen genau wissen, wie viel CO2 wir zugeführt haben.

Das CO2 wird mit der Luft vermischt, die in den Reaktor geleitet wird, woraufhin sich das CO2 im flüssigen Kulturmedium auflöst, das auch die anderen Nährstoffe enthält. Da CO2 in Wasser Kohlensäure bildet und damit schwach sauer ist, sinkt der Säuregrad (pH) des Mediums immer weiter. Das sorgt für einen negativen Effekt, denn die meisten Algen wachsen am besten bei einem pH-Wert von etwa 7 bis 8. Aber wenn Algen wachsen, nehmen sie CO2 aus dem Medium auf, sodass der pH-Wert wieder steigt. Der Säuregrad ist äußerst kritisch. Wenn der pH-Wert in den gewünschten Bereich kommt, neigen die Algen zum Ausflocken. In diesem Fall können die Massendurchflussregler aktiviert werden, um das CO2 so zu dosieren, dass der pH-Wert stabil bleibt und den optimalen pH-Wert der Alge nicht überschreitet. Daher wird der pH-Wert im Dosiersystem eingestellt, damit CO2 je nach Bedarf zugeführt werden kann. So können wir die maximale Wachstumsgeschwindigkeit der Alge und die benötigte CO2-Menge ermitteln.

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Wenn zu viel CO2 zugeführt wird, sinkt der pH-Wert des Mediums zu stark, was das Wachstum der Alge negativ beeinflusst. Wenn zu wenig CO2 zugeführt wird, ist das eigentlich kein Problem, aber die Algen wachsen dann langsamer, weil es an Kohlenstoff mangelt. Die zugeführte CO2-Menge muss also genau abgestimmt werden. Außerdem braucht das CO2 Zeit, um sich in Kohlensäure und anschließend in das biologisch verwertbare Carbotat bzw. Hydrogencarbonat umzuwandeln. Wenn sich das CO2 nicht umwandelt, dann entweicht es wieder aus dem Reaktor, und das ist Verschwendung. Die effektive Auflösung des CO2 ist also ein Faktor, der ebenfalls berücksichtigt werden muss. Die bauliche Planung des Reaktors ist also ebenfalls von Bedeutung.

Genauigkeit spielt eine große Rolle in diesem Prozess. Der Massendurchflussregler sorgt dafür, dass wir mit einem bestimmten pH-Wert arbeiten können und genau wissen, wie viel CO2 hinzugefügt wurde.

Wie sieht die Zukunft aus?

Wenn sich aus diesem Prozess tatsächlich eine Produktion entwickelt, dann ist die Logistik ausschlaggebend dafür, woher das CO2 kommt. Grundsätzlich können Rauchgase aus der Industrie verwendet werden, aber dann müssen Stoffe wie Schwefel- und Stickstoffoxid, die in diesen Rauchgasen enthalten sind und das Algenwachstum behindern, wenn sie in einer bestimmten Konzentration auftreten, entfernt werden. Das kann nur mit technischen Hilfsmitteln gelöst werden. Es bleibt die Frage, wie weit die Algenfabrik von der CO2-Quelle entfernt sein darf? Wenn die Entfernung zu groß ist, muss das CO2 in einer anderen oder kontrollierten Form transportiert werden, zum Beispiel als Bikarbonat. Außerdem können Air-Capture CO2-Units entwickelt werden, mit denen vor Ort zusätzliches CO2 aus der Luft entnommen wird. Zum Beispiel arbeitet die Universität Twente im Rahmen eines anderen Interreg-Projekts, IDEA, zum Algenwachstum in Nordwesteuropa, an dem auch Radius Thomas More beteiligt ist, an der Entwicklung solcher Units. Die technologischen Voraussetzungen sind da, aber letztendlich kommt es immer darauf an, wie kostenintensiv die neue Technologie sein wird.

Quelle: Für diesen Blogbeitrag wurde Jornt Spit von Eddy Brinkman (Betase/Bronkhorst) interviewt.​

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