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Nährstoffe aus Abgasen

Photobioreaktor zur Gewinnung von Wertstoffen und Energie aus Mikroalgen
Nährstoffe aus Abgasen

Mit dem Flat Panel-Airlift-Photobioreaktor lässt sich Algenbiomasse unter Nutzung von Sonnenenergie in industriellem Maßstab nutzen. Aus Mikroalgen kann so eine Vielzahl wertvoller Inhaltsstoffe wie Fettsäuren, Proteine, Vitamine, Karotinoide und Farbstoffe gewonnen werden. Darüber hinaus ermöglichen integrierte Kreislaufprozesse die energetische Nutzung der Biomasse.

Stefanie Seidl

Obwohl mikroskopisch klein und kaum sichtbar, sind Mikroalgen vielseitig in ihren Nutzungsmöglichkeiten: Wertvolle Inhaltsstoffe für die Herstellung von Nahrungsergänzungsmitteln oder Kosmetika lassen sich aus ihnen gewinnen. Die Algenbiomasse dient, in Form von Bio-Diesel, der Energieerzeugung. Nicht zuletzt binden Algen zehn bis fünfzehn mal mehr CO2 als die Flora des Waldes und leisten somit einen wesentlichen Beitrag zur Entlastung und zum Schutze der Umwelt. Die Subitec GmbH machte sich bei der Entwicklung ihrer Technologie all diese Potenziale zu Nutze. Mit dem weltweit patentierten Flat Panel-Airlift-Photobioreaktor (FPA-Reaktor) gelingt es dem Fraunhofer Spin-off, Algenbiomasse mit einem Nettoenergiegewinn zu produzieren.
Integrierte Kreislaufprozesse
In FPA-Reaktoren werden Algen unter der Nutzung von Sonnenenergie und industriellem Kohlenstoffdioxid kultiviert, um anschließend eine Vielzahl an wertvollen Inhaltsstoffen aus ihnen zu gewinnen. Fettsäuren, Proteine, Vitamine, Karotinoide und Farbstoffe kommen dann als Ausgangsstoffe in der Chemie-, Pharma- und Lebensmittelindustrie zum Einsatz. Neben der Erzeugung von Wertstoffen wird die Algenbiomasse auch energetisch genutzt. Hierzu entwickelt Subitec integrierte Kreislaufprozesse, bei denen das Abgas-CO2 aus industriellen Verbrennungsprozessen zur Kultivierung der Algen verwendet wird. Nach Extraktion der Wertstoffe kann die Restbiomasse zu Biogas vergoren werden. Dies liefert im BHKW Strom und Wärme. Das frei werdende Abgas-CO2 kann wieder in den Kreislaufprozess zur Algenproduktion zurückgeführt werden. Die Abfälle der einen Anlage dienen somit als Rohstoffquelle für die andere. Das geschlossene System ermöglicht eine Kreislaufführung von Wasser und Nährstoffen, das Konzept der Biomasseraffinerie erlaubt die vollständige Verwertung der Algenbiomasse.
Geschlossenes System
Der Flachplatten-Airlift-Reaktor erfüllt die Voraussetzung für eine kommerzielle Massenproduktion von Mikroalgen im Freiland. Mikroalgen und deren Inhaltsstoffe lassen sich damit industriell nutzen.
Während die Algenzucht in Asien überwiegend in offener Beckenhaltung erfolgt, erlaubt der Algenbioreaktor von Subitec die landgestützte Zucht in geschlossenen Bioreaktoren, die auch steril betrieben werden können – eine Voraussetzung, die für die Pharma- und Kosmetikindustrie von essenzieller Bedeutung ist. Algenbiomasse kann unter diesen kontrollierten Bedingungen umweltgerecht, kontinuierlich und preisgünstig hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil gegenüber den bisher üblichen Flachbeckenanlagen ist die um das Zehnfache höhere Raum-Zeit-Ausbeute sowie die wesentlich höheren Zellkonzentrationen innerhalb des FPA-Reaktors. Daher ist – bezogen auf die produzierte Algenbiomasse – bei dem FPA-Reaktor ein geringerer Energieaufwand nötig als bei der Kultivierung in den sogenannten Open Pond-Systemen, bei denen zudem die Verdunstungsrate sehr hoch ist. Die Technologie ermöglicht die Produktion von Algenbiomasse mit einem Nettoenergiegewinn.
Ein Problem, dem Subitec begegnen musste, stellt der unterschiedliche Lichteinfall auf die Algen dar. Im Querschnitt betrachtet kann man bei einem Plattenreaktor drei Zonen unterschiedlicher Lichtintensitäten unterscheiden: Direkt an der Oberfläche ist die Lichtintensität so hoch, dass keine Photosyntheseaktivität stattfinden kann (Photoinhibition). Es folgt eine dünne Schicht mit einer für das Algenwachstum optimalen Intensität, doch letztlich schattet sich in einem nicht durchmischten Reaktor die Kultur selbst ab und unterliegt der Lichtlimitierung. Die Lösung ist der Einbau der statischen Mischer, die den gerichteten Transport der Zellen erzwingen: Die aufsteigenden Gasblasen werden abgelenkt und versetzen das Kulturmedium in eine stationäre, kreisförmige Strömung. Das Prinzip des Airlift-Schlaufenreaktors sorgt zudem für eine vollständige Durchmischung des FPA-Reaktors der durch eine geringe Schichtdicke und gezielte Strömungsführung im Reaktor mithilfe der statischen Mischer eine optimale Lichtversorgung aller Algenzellen erreicht. Die Algenzellen werden mit einer Frequenz von etwa einem Hertz jeweils ans Licht und dann wieder in die abgeschattete Zone transportiert. Somit wird das einseitig einfallende Sonnenlicht auf alle Algenzellen im Reaktor gleichmäßig verteilt. Über den Abstand zwischen den FPA-Reaktoren im Freiland kann zudem die durchschnittliche Lichtintensität auf der Reaktoroberfläche variiert werden.
Flexibel erweiterbar
Der Photobioreaktor wird durch Tiefziehtechnik aus Kunststofffolie in Form von zwei Halbschalen, inklusive der statischen Mischer, hergestellt, die dann miteinander verschweißt werden. Der aus durchsichtigem Kunststoff bestehende FPA-Reaktor bietet die besten Voraussetzungen für die kommerzielle Massenproduktion sich phototroph, also einzig von Lichtenergie, ernährender Mikroalgen.
Durch den modularen Aufbau der Kultivierungsanlagen eignet sich das System für die gleichzeitige Zucht verschiedener Spezies und ist in seinen Kapazitäten flexibel erweiterbar. Der neueste FPA-Reaktor hat ein Nutzvolumen von 180 l bei einer Fläche von knapp 5 m2 und einer Schichtdicke von 5 cm. Der Energieeintrag konnte im Vergleich zum Vorgängermodell von 477 W/m3 auf unter 200 W/m3 gesenkt werden.
Bis 2011 plant die Subitec GmbH, die beiden bereits bestehenden Pilotanlagen auf Hof Weitenau und in Hamburg-Reitbrook durch weitere zu ergänzen. Mindestens zwei dieser neuen Anlagen sollen in Deutschland in Gewächshäusern errichtet werden. Derzeit führt das Unternehmen zudem Gespräche zum Aufbau und Betrieb von Pilotanlagen im Mittelmeerraum.
Online-Info www.cav.de/0310400

Die Subitec GmbH ist aus dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart hervorgegangen. Bereits fünf Jahre vor Gründung des Unternehmens beschäftigte sich der Leiter der Abteilung Umweltbiotechnologie, Prof. Dr. Walter Trösch, mit dem Thema Mikroalgen. Sehr früh ging er von der Erkenntnis aus, dass Mikroalgen durch ihre sehr hohen Wachstumsraten den Landpflanzen überlegen seien und sowohl für die CO2-Sequestierung als auch für die energetische Nutzung der Biomasse in der Zukunft zunehmend an Bedeutung gewinnen würden. Im September 2000 wurde schließlich, auf Initiative von Trösch und mit Unterstützung von Fraunhofer Venture, verantwortlich für die Ausgründungen innerhalb der Fraunhofer Gesellschaft, die Subitec GmbH gegründet. In den ersten Jahren bearbeitete das Unternehmen, in enger Kooperation mit dem Fraunhofer IGB, verschiedene Algenstämme und entwickelte die Technologie des 1999 vom IGB bereits erstmalig zum Patent angemeldeten Flat Panel-Airlift-Photobioreaktors weiter. Mittlerweile ist die Entwicklung der dritten Reaktor-Generation abgeschlossen.
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