Charakterisierung eines neuartigen tubulären Photobioreaktors – Erarbeitung wesentlicher Einflussparameter und modellgestützte Effizienzbewertung phototrophen Wachstums zur stabilen Langzeitkultivierung unter Freilandbedingungen

Abstract

Die großtechnische Produktion von Mikroalgenbiomasse unter Freilandbedingungen unterliegt trotz ihres enormen Potentials nach wie vor einem Nischendasein im Markt der hoch-wertigen Biomasse. Diese Arbeit zeigt auf, dass eine stabile Kultivierung von Mikroalgenbiomasse unter Freilandbedingungen in Mitteleuropa (und potenziell ähnlicher Breitengrade) effektiv durchführbar ist. Es ist zu vermuten, dass an Orten näher der Wendekreise eine aufgrund höherer Globalstrahlungsprofile ebenso höhere Biomasseproduktivität ermöglicht werden könnte. Die erzielten PCE-Werte zeigen, dass die Effektivität der verwendeten Lichtkollektoren zum Einsammeln von Sonnenlicht, einem entscheidenden Einsatzkriterium bei der Durchführung phototropher Wachstumsprozesse, ganzjährig stabil ist und die Biomassezusammensetzung eine definierte und ebenso stabile Zusammensetzung im Jahresverlauf aufweist. Vergleichbare Daten sind in diesem Zusammenhang nicht verfügbar. Vergleichende Untersuchungen über Kurzzeitkultivierungen zeigen, dass die Leistungsfähigkeit des Tannenbaum-Photobioreaktors bezüglich der erzielten Parameter am installierten Standort, hinsichtlich der Produktivität der Mikroalgenbiomasse gesteigert werden kann. Im Rahmen der Versuche zur Langzeitkultivierung lag die maximal erzielbare Biomasseproduktivität jedoch nicht im Vordergrund. Vielmehr führten die Untersuchungen zum Verständnis einer gesicherten Prozessstabilität unter Anwendung der Steuermöglichkeit des Doppelschlauchsystems zur Temperierung und Aufrechterhaltung des erforderlichen Nährstoffniveaus und weiterer Wachstumsbedingungen. Die Molchbarkeit während der Kultiverung, d.h. ohne den Kultivierungsalgorithmus unterbrechen zu müssen, ermöglichte das Freihalten der Lichteintrittsflächen einerseits sowie eine Minimierung des Kontaminationsdruckes durch aufkeimenden Biobelag andererseits. Inwieweit eine Automatisierung des mechanischen Reinigungsprinzips, vor allen Dingen im Hinblick auf eine Vielzahl von Lichtkollektoren im großtechnischen Maßstab, möglich und praktikabel umsetzbar ist, sollte in zukünftigen Versuchsplänen Berücksichtigung finden. Die erzielten Wachstumsraten in den Wintermonaten zeigen auf, dass eine Kultivierung an diesem Standort und in diesem Zeitraum nur mit natürlicher Lichtquelle und rein phototrophem Wachstum erfolgreich durchführbar, aber nicht effektiv im Sinne eines signifikanten Biomasseertrages realisierbar scheint. Der Hauptgrund hierfür liegt vor allen Dingen in den kurzen Tageslängen von teilweise weniger als 7,5 Stunden (am Standort der PBR). Demgegenüber steht eine Nachtphase, in diesem Fall, von 16,5 Stunden, in denen kein phototrophes Wachstum stattfindet. Aber auch das geringere Strahlungsniveau aufgrund der geringen Sonnenhöhe trägt zu niedrigen Lichtintensitäten, und folglich geringen Wachstumsraten, bei. Eine stabile Nutzung der Photobioreaktoren über längere Zeiträume erfordert das Verständnis der Gesamtheit des Kultivierungssystems als Solches im Zusammenhang mit der unmittelbaren Umgebung. Aufgrund von äußeren Einflüssen wie schwankenden Luftdrücken, Niederschlag, Wind und weiterer Umwelteinflüsse kommt es grundsätzlich und unweigerlich zu wiederkehrenden und schwankenden Kontaminationsdrücken. Dieses Auftreten von Fremdorganismen bis hin zu Fraßfeinden bei der Verwendung von Monokulturen unter Freilandbedingungen über einen längeren Zeitraum ist in der Literatur hinlänglich bekannt. Es handelt sich hier vergleichsweise um die Herausforderung einer „Intensivlandwirtschaft“. Andere Ansätze, als den hier verwendeten zur Nutzung selbst-stabilisierender Kulturen, könnte die Nutzung einer Fruchtfolge, in diesem Fall Sortenfolge, vergleichbar mit dem Prinzip der traditionellen 3-Felderwirtschaft in der konventionellen Landwirtschaft, sein. Mit Hilfe des Ansatzes zu selbststablisierenden Mikroalgenkulturen ist es in den durchgeführten Versuchen erfolgreich gelungen, eine Leitkultur von Scenedesmus obliquus stabil über einen Zeitraum von fast 2 Jahren zu kultivieren. Es konnte aufgezeigt werden, dass eine erhebliche Steigerung der Biomasseproduktivität bezüglich rein phototrophen Wachstums an geographischen Standorten deutich näher zu den Wendekreisen zu erwarten ist. Vor allen Dingen eine gleichmäßigere Verteilung der Globalstrahlung und dementsprechend um den Faktor 4 größere Globalstrahlungsintensität in den Wintermonaten gegenüber dem Standort der Reaktoren würde eine stabile Produktion von Mikroalgenbiomasse über 365 Tage erlauben. Zusammen mit den umgesetzten Maßnahmen im Zuge der Langzeitversuche an den Tannenbaum-PBR würde eine ganzjährige Standzeit bei stabiler Produktion durchführbar sein. Die erfolgreich umgesetzte saisonal-übergreifende Kultivierung mit Hilfe der Tannenbaum-Photobioreaktoren zeigt die Steuerbarkeit der Wachstumsbedingungen gegenüber den klimatischen Bedingungen am Standort eindeutig auf