Ein neuer Ansatz zur wirtschaftlichen Nutzung von Mikroalgen

„Porous Substrate“ Bioreaktoren

  • Abb. 1: Schematische Darstellung eines „Porous Substrate“ Bioreaktors (PSBR) nach Podola et  al. (2016). A) Grundprinzip des PSBR am Beispiel eines Ausschnitts aus der Reaktoroberfläche  B: Anordnung der Schichten in einem vertikalen PSBR-Element C: PSBR-Modul mit mehreren  vertikalen Schichten in paralleler Anordnung. Symbole: a - Mikroalgenbiofilm; b – Mikroporöse  Trennschicht; c – Kulturmedium; d – Strömungsrichtung des Kulturmediums; e - Medienbehäl- ter; f – Pumpe; g - Diffusion; h - Extrazelluläre Matrix; i - Mikroalgenzelle; j Gasaustausch; k -  Lichtstrahlung; l - Verdunstung.Abb. 1: Schematische Darstellung eines „Porous Substrate“ Bioreaktors (PSBR) nach Podola et al. (2016). A) Grundprinzip des PSBR am Beispiel eines Ausschnitts aus der Reaktoroberfläche B: Anordnung der Schichten in einem vertikalen PSBR-Element C: PSBR-Modul mit mehreren vertikalen Schichten in paralleler Anordnung. Symbole: a - Mikroalgenbiofilm; b – Mikroporöse Trennschicht; c – Kulturmedium; d – Strömungsrichtung des Kulturmediums; e - Medienbehäl- ter; f – Pumpe; g - Diffusion; h - Extrazelluläre Matrix; i - Mikroalgenzelle; j Gasaustausch; k - Lichtstrahlung; l - Verdunstung.
  • Abb. 1: Schematische Darstellung eines „Porous Substrate“ Bioreaktors (PSBR) nach Podola et  al. (2016). A) Grundprinzip des PSBR am Beispiel eines Ausschnitts aus der Reaktoroberfläche  B: Anordnung der Schichten in einem vertikalen PSBR-Element C: PSBR-Modul mit mehreren  vertikalen Schichten in paralleler Anordnung. Symbole: a - Mikroalgenbiofilm; b – Mikroporöse  Trennschicht; c – Kulturmedium; d – Strömungsrichtung des Kulturmediums; e - Medienbehäl- ter; f – Pumpe; g - Diffusion; h - Extrazelluläre Matrix; i - Mikroalgenzelle; j Gasaustausch; k -  Lichtstrahlung; l - Verdunstung.
  • Abb. 2: Verschiedene Kulturen der Grünalge Haematococcus pluvialis,  die unter bestimmten Bedingungen das wirtschaftlich bedeutende rote  Carotinoid Astaxanthin produziert. A: PSBR-Biofilmkultur; Foto Dr.  Alice C. Kiperstok. B) Grüne, vegetative Stadien und C) Akineten  (Dauerstadien) mit Astaxanthin aus Suspensionskultur; Fotos CCAC  (www.ccac.uni-koeln.de).
  • Tab. 1: Biomassedichte in [g Trockenmasse L-1] und Kulturmedienbedarf  [L] von verschiedenen suspensions- oder biofilmbasierten Photobioreak- toren (PBRs) für Mikroalgen. Modifiziert nach Podola et al. (2016).

Große Wassermengen machen Kultivierung von Mikroalgen oftmals ineffizient. Mikroalgen konnten in ihrer Bedeutung gegenüber den klassischen Vertretern der Mikrobiologie, den Pilzen und Bakterien, in den letzten Jahren vor allem als potentielle Quelle für Biokraftstoffe der dritten Generation deutlich aufholen.

Im Windschatten der Bioenergie profitieren nun aber auch andere Anwendungsfelder von dem neuen Interesse an den vielseitigen Organismen. Unmittelbar verbunden mit der dadurch stark gestiegenen Nachfrage an kostengünstigen Kulturverfahren, rückt jedoch auch die seit Jahrzehnten bekannte Schwäche des Stands der Technik der Mikroalgentechnologie wieder in den Fokus der Biotechnologen: Die Kultivierung dieser Organismen in wässrigen, niedrig konzentrierten Suspensionen. Im Gegensatz zur klassischen Fermentation benötigen Mikroalgen Licht als Energiequelle für Photosynthese und Produktion von Biomasse. Offene Becken oder geschlossene tubuläre oder plattenförmige Photobioreaktoren mit großen Oberflächen werden genutzt, um Sonnenlicht möglichst effizient in der Kultursuspension zu verteilen. Hierzu müssen die Zellen in den Photobioreaktoren durchmischt werden, um diese in Suspension zu halten und gleichmäßig mit Licht zu versorgen, sowie den Massentransfer von Gasen (Kohlenstoffdioxyd und Sauerstoff) und Nährstoffen sicherzustellen. Trotz des damit verbundenen hohen technischen Aufwands können Mikroalgenkulturen meist nur bei geringer Biomassedichte kultiviert werden, d. h. große Flüssigvolumina sind ein Charakteristikum dieses Prozesses. Diese großen Volumina führen zu insgesamt hohen Kosten für Prozessenergie und technischer Infrastruktur und verursachen Probleme im Betrieb, wie z.B. Verbreitung von Kontaminationen in der Kultur.

Reduktion des Wassers in der Algenkultur –„Porous Substrate“ Bioreaktoren
Die oben geschilderte Problematik legt die Verringerung der Wasservolumina in technischen Algenkulturprozessen nahe. Konsequenterweise endet diese Reduzierung, sobald das Volumen der Kultursuspension als dichtgepackte Zellschicht nicht mehr weiter reduziert werden kann und die Zellen immobilisiert in Form eines Biofilms vorliegen.

In der Natur zählen phototrophe Biofilme zu den produktivsten pflanzlichen Systemen. Eine Umsetzung des Biofilmkonzepts in der technischen Produktion von Algen bietet somit vielversprechende Vorteile.

Konventionelle Biofilmansätze immobilisieren Mikroalgen meist auf festen Oberflächen, wie z.B. Kunststoffplatten, und konnten so einige der oben geschilderten Probleme ansatzweise lösen, jedoch meist keine neuen Wege in kommerzielle Anwendungen eröffnen. Das an der Universität zu Köln entwickelte Konzept der Porous Substrate Bioreaktoren (PSBRs), auch Twin-Layer System genannt, macht sich eine für die Algenbiotechnologie völlig neue Idee zunutze: Die weitestgehende Trennung von Algen und Kulturmedium. Dies wird durch das Immobilisieren der Mikroalgen auf einer feinporösen Trägerschicht erreicht (Abb. 1a). Über die große Oberfläche des Biofilms können Licht und Kohlenstoffdioxid effizient aufgenommen und genutzt werden, während die Zellen von nurnminimalen Wassermengen umgeben sind. Um nun trotzdem die für das Wachstum notwendigen Nährstoffe zur Verfügung zu stellen, werden diese in gelöster Form über die Trägerschicht von der den Algen abgewandten Oberfläche zugeführt und gelangen durch Diffusion und Oberflächenverdunstung durch die poröse Trennschicht in den Biofilm. Auf diese Weise können die Organismen optimal mit Nährstoffen versorgt und die Nährstoffzusammensetzung den jeweiligen Erfordernissen der Prozessphasen angepasst werden.

Das Prinzip, ursprünglich zur Stabilisierung eines Biosensors für Umweltschadstoffe entwickelt, wurde in den vergangenen Jahren erfolgreich in kleinere Laborprototypen umgesetzt. Das Grundelement (Abb. 1a) wird hierzu um eine weitere Trägerschicht und eine zentrale Verteilerschicht erweitert, durch die zur Versorgung mit Wasser und Nährstoffen ein langsamer, vertikaler Flüssigkeitsstrom etabliert wird (Abb. 1b), der über einen Vorratsbehälter mit Kulturlösung zirkuliert. Die so entstehenden doppelseitigen Elemente können vertikal orientiert parallel angeordnet werden und bilden ein Bioreaktormodul (Abb. 1c).

Diese neue Art der Algenkultivierung reduziert die Flüssigkeitsvolumina in der Mikroalgenkultur (im Biofilm) um bis zu 1.000-fach und den Wasserbedarf des Gesamtprozesses basierend auf der produzierten Biomasse um einen Faktor von bis zu 100-fach gegenüber Suspensionskulturen (Tab. 1). Das bietet in der Praxis signifikante Vorteile: Zunächst benötigen PSBRs keine Energie für die Volldurchmischung des Reaktors für Massentransfer und Aufrechterhaltung der Suspension. Die bewegten Flüssigkeitsmengen pro kg produzierter Trockenkasse sind in PSBRs minimal und beschränken sich auf den laminaren Medienstrom entlang der Verteilerschicht bzw. der Innenseiten der Trägerschicht(en). Weiterhin entfallen nach der Ernte der Biomasse von der Reaktoroberfläche aufwendige Konzentrationsschritte (Zentrifugation, Flokkulation, Filtration, etc.) wie für Suspensionskulturen erforderlich, da der Wassergehalt der PSBR-kultivierten Biomasse bereits im optimalen Bereich für die gängigen Downstream-Prozesse liegt. Durch dieses günstige Verhältnis von Wasser zu produzierter Biomasse im Bioreaktor kommt es potentiell zu erheblichen Einsparungen an Energie für Massentransfer und Ernte bei PSBRs gegenüber den derzeitigen Standarttechnologien, bei denen Energiekosten einen erheblichen Anteil an den Produktionskosten ausmachen. Durch die fehlende Flüssigkeitsbewegung innerhalb der Biofilmkultur bleiben außerdem hydrodynamische Kräfte aus, die schädigende Auswirkungen auf die meisten Mikroalgen-Arten haben - aus diesem Grund können gegenwärtig nur etwa zwei Dutzend Algenarten im technischen Maßstab in suspensionsbasierten Photobioreaktoren kultiviert werden (über 45000 Arten sind bekannt). Weitere Vorteile des PSBRs sind die durch die Immobilisierung nur lokal begrenzte Ausbreitung von Kontaminationen durch andere Algen oder Schadorganismen. Neben den energetischen und betriebstechnischen Vorteilen bietet auch die einfache Konstruktionsweise der PSBRs Einsparpotential: PSBRs produzieren hohe Biomassemengen mit vergleichsweise geringem Einsatz von kostengünstigen Materialien.

Bisherige Anwendungen und derzeitiger Entwicklungsstand der Technologie
Innerhalb der letzten drei Jahre konnten einige Studien die Eignung der PSBRs in den klassischen Bereichen der Mikroalgenbiotechnologie belegen. So können diese Bioreaktoren zur Extraktion von wertvollen Inhaltsstoffen von Mikroalgen, wie Fettsäuren, Pigmenten, Antioxidantien und Polysacchariden eingesetzt werden, oder die Algenbiomasse wird direkt verwendet. Algenbiomasse und Inhaltsstoffe finden vielfältige Anwendungsfelder, wie z.B. als Nutraceuticals (Nahrungsergänzungsmittel), in der Aquakultur und als Tierfutter, aber auch in Pharmazie und Umweltbiotechnologie. Durch die große Auswahl an kultivierbaren Algen – ca. 80% der über 500 getesteten Stämme können im PSBR kultiviert werden -- lassen sich aber auch neue Produkte erfolgreich erschließen, die mit herkömmlichen Verfahren bisher nicht aus Mikroalgen zu gewinnen waren.

Konzepte immobilisierter Produktionsverfahren etablieren sich derzeit in der Mikroalgentechnologie, der aktuelle Stand der Entwicklung bewegt sich aber hauptsächlich noch im Bereich von Labormustern. Erste kleinere PSBR-Prototypen demonstrieren jedoch bereits erfolgreich die grundsätzliche Skalierbarkeit der Technologie in Richtung eines industriellen Prototyps. Auch wenn die Produktivitäten der PSBRs im Vergleich zum Stand der Technik im Wesentlichen positiv abschneiden, sind in einem wirtschaftlichen Umfeld in erster Linie die Produktionskosten entscheidend. Die Charakteristika des PSBRs lassen zwar ein deutliches Einsparpotential erkennen, dennoch ist als einer der nächsten Entwicklungsschritte eine umfassende Analyse erforderlich. Neben den Kosten für Ressourcenverbrauch (Energie, Wasser, Nährstoffe, Ernte), Oberflächenmaterialien und Reaktorkonstruktion müssen die Auswirkungen des Verfahrens auf die Umwelt ebenfalls berücksichtigt werden. Auch der ingenieurstechnische Aspekt muss von nun an verstärkt in den Fokus rücken. Die speziellen Anforderungen der PSBR-Technologie, wie z.B. das optimale Reaktordesign oder ein effizientes Ernteverfahren für die immobilisierte Biomasse schaffen in diesem Gebiet neue Herausforderungen auf dem Weg in die technische Nutzung von Mikroalgen

Literatur
Podola, B., Li, T., & Melkonian, M. : Porous substrate bioreactors - a paradigm shift in microalgal biotechnology? Trends in Biotechnology  (2016) (im Druck) doi:10.1016/j.tibtech.2016.06.004

Autor
Dr. Björn Podola

Universität Köln
Botanisches Institut
bpodola@uni-koeln.de

Weitere Beiträge zum Thema Bioreaktoren: http://www.git-labor.de/category/tags/bioreaktor
Mehr Informationen zum Einsatz von Mikroalgen: http://www.git-labor.de/category/tags/mikroalgen

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