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Algenreaktor

Als Algenreaktor oder Algen- Photobioreaktor zur CO₂ Fixierung oder Algen Biomasse Produktion, bezeichnet man einen Bioreaktor zum Kultivieren von Algen, in dem über ein Rohr oder Dispergier- Organ CO₂ („gebunden“ in Luft oder gereinigtem Rauchgas) eingetragen wird. Die heranwachsenden Algen nutzen dass, ihnen zur Verfügung gestellte CO₂ und Sonnenlicht, um Photosynthese zu betreiben. Algen sind photoautotroph und betreiben eine oxygene (O₂ wird freigesetzt) Photosynthese, wobei sie das CO₂ mit Hilfe von Sonnenlicht und Wasserstoffatomen aus dem aufgenommenen H₂O in Form von Glucose fixieren. Diese wird wiederum genutzt, um frische Biomasse zu generieren. Der molekulare Sauerstoff (O₂) und die Wasserstoffatome entstehen bei der Wasserspaltung im Photosystem II, welches sich in der Thylakoidmembran befindet.

Netto- Reaktionsgleichung der Photosynthese:

${\begin{matrix}\mathrm {6\;CO_{2}+6\;H_{2}O\quad \longrightarrow \;C_{6}H_{12}O_{6}+6\;O_{2}} \qquad \Delta H^{0}=+2870\ {\frac {\mathrm {kJ} }{\mathrm {mol} }}\end{matrix}}$

Geschichtlicher Hintergrund

Im Jahr 1957 finden im Auftrag der „Carnegie Institution“ in Washington, die der Arthur D. Little Inc. angehört, die ersten Versuche zur Algenzüchtung mittels Solarenergie statt. Die Chorella- Einzeller erhalten zusätzlich nur CO₂ und Salze. Zuerst wurde mit 150 cm hohen Glasreaktoren experimentiert, später mit einem Algenbecken in Form eines lichtdurchlässigen Plastikschlauches. Das Ziel der damaligen Forschungen war es ein günstiges Viehfutter herzustellen.

Häufigsten Typen von geschloßenen Algenreaktoren

Grundsätzlich unterscheidet man zurzeit zwischen 3 Typen von geschlossenen Algenreaktoren, jedoch ist ihre Bauweise durch den in den häufigsten Fällen wachstumsbeschränkenden Faktor, das verfügbare Licht bzw. die einstrahlende Lichtintensität, bestimmt.

Plattenphotoreaktor

Plattenreaktoren bestehen aus vertikal oder geneigt angeordneten, quaderförmigen Platten, die oftmals in zwei Bereiche unterteilt sind, um so eine Bewegung (Umwälzung) des Reaktorfluids zu ermöglichen. In der Regel werden die einzelnen Reaktorplatten geneigt und stufenförmig angeordnet und zu einem größeren System miteinander verbunden. Meist sind diese Verbindungsstücke zum Befüllen bzw. Entleeren, Begasen und Nährstofftransport, jedoch selten zum Übergang von Reaktorfluid vorgesehen, da versucht wird, das Kontaminationsrisiko so gering wie möglich zu halten. Die Begasung erfolgt über das untere Ende des Quaders, damit die Blasensäule über die gesamte Länge getragen wird.

Rohrphotoreaktor

Ein Rohrreaktor besteht aus einem Rohrsystem das vertikal oder horizontal angeordnet werden kann. Die oftmals sehr langen Rohre bestehen aus Glas oder klarem Kunststoff (PVC, PMMA). Das Reaktorfluid mit den darin sich befindenden Algen wird dabei konstant durch das Röhrensystem gepumpt. Im Grunde wird zwischen zwei Pumpvorgängen unterschieden, die das Reaktorfluid in Bewegung halten. Wahlweise kann die Zirkulation mit einer Pumpe angetrieben werden, wobei hier die Druckverluste und proportional dazu auch der Energieaufwand sehr hoch sind. Als Alternative kann man eine sogenannte Airlift- Pumpe verwenden (häufig bei vertikal angeordneten Rohrreaktoren). Eine Airlift- Pumpe basiert auf dem Prinzip der Flüssigkeitsbewegung aufgrund von unterschiedlicher hydrostatischer Drücke, bedingt durch einen, bezogen auf das Rohrsystem, einseitigen Eintrag von Gasblasen und der dadurch entstandenen Dichtedifferenz. Bei Rohrreaktoren entsteht jedoch ein Nachteil. Ein großes Problem ist die erhöhte Sauerstoffkonzentration und ein niedrige Kohlendioxidkonzentration am Ende, wodurch die Produktivität eingeschränkt wird.

Blasensäulenphotoreaktor

Der Blasensäulenreaktor besteht meistens aus einem zylindrischen Gefäß, welches aus lichtdurchlässigem Material gefertigt ist. Die Bauweise wird, wie bei allen anderen Photobioreaktoren, durch die notwendige Lichtintensität beeinflusst. Zurzeit werden diese Typen von Reaktoren mit einem Durchmesser von maximal 20cm bis 30cm und einer, durch statische Gründe begrenzte Höhe von 4m gefertigt. Ein größerer Durchmesser würde zur Folge haben, dass der Reaktor nicht stark genug durchleuchtet wäre, was eine Verringerung der Produktivität und CO₂- Aufnahme zur Folge hätte. Ein weiterer Vorteil ergibt sich im Vergleich zu Blasensäulenreaktoren, die in der biologischen und chemischen Industrie zum Einsatz kommen. Im Fall der Algen- Photobioreaktoren sorgt die aufsteigende Blasensäule für eine ausreichende Durchmischung des Algenmediums, im Gegenzug zu den oben genannten gebräuchlichen Einsatzgebieten, bei denen ein integriertes Rührorgan in Form von Propellerrührer für die nötige Turbulenz sorgt. Der eigentliche Vorteil ergibt sich aus der schonenden Durchmischung, d.h. dass auftretende Scherkräfte, die den Algen schaden können, bei der Blasensäule sehr klein sind im Vergleich zum Durchmischen mit Hilfe von schnelllaufenden Rührern.

Forschungen im Bereich der optimierten Lichtversorgung bei Algenreaktoren brachten einige forschende Wissenschaftler auf das Prinzip, das Licht mit Hilfe von, auf dem Dach montierten Lichtsammeltrichtern zu „bündeln“ und mit hocheffizienten Lichtleitfasern die in das Reaktorfluid des Blasensäulenreaktors hineinragen, auszuleuchten. Mit Hilfe dieser Methode können sich durchaus Blasensäulenreaktoren mit größeren Durchmessern realisieren lassen.

Industrielle Nutzung

Das Kultivieren der Algen in einem Algenreaktor eröffnet der Industrie ein breites Spektrum an Nutzungsmöglichkeiten.

Einige Energiekonzerne besitzen Pilot- bzw. Forschungsanlagen eines Algenreaktors um CO₂ aus einem Teil des, bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern entstehenden, Rauchgases zu fixieren und nebenbei hochwertige Algen Biomasse, die weiter verwendet werden kann, zu generieren. In weiterer Entwicklungsfolge können diese Anlagen zu einer Senkung von CO₂ Emissionen beitragen und den Unternehmen zusätzliche Einnahmen über den Verkauf von Emissionszertifikaten des nicht genutzten Emissionsvolumens, einbringen.

Die Nutzung einiger Algenarten als Nahrungsmittel ist vor allem in Ostasien sehr weit verbreitet. Die meisten davon besitzen neben einem, sehr hohen, jedoch nur teilweise verwertbaren Eiweiß- und Kohlenhydratanteil, auch einen hohen Gehalt an Mineralstoffen und Spurenelementen. Im Allgemeinen sollten Algen nur in mäßigen Mengen verzehrt werden, da sie oftmals einen hohen Iodgehalt aufweisen und die Gefahr der Iod- Überdosierung besteht, die vor allem bei einer bereits vorhandenen Schilddrüsenüberfunktion Risiken birgt.

Die Alternative zur Nutzung als Nahrungsmittel besteht in der Herstellung von Biodiesel. Im direkten Vergleich zu Rapspflanzen schneiden Algen wesentlich besser ab. Einige Algen der Gattung Chlorella eignen sich sehr gut zur Herstellung von Biodiesel, da sie einen sehr hohen Ölanteil haben, jedoch dürfen diese keine zu hohen Wachstumsraten bzw. CO₂ Umsatzraten haben, da Wachstumsrate einen umgekehrt proportionalen Einfluss auf den Ölanteil der Einzeller hat.

Hinsichtlich der Gewinnung von Biosprit, sind Algen 30-mal effektiver. Das kommt daher, dass man sowohl den Ölanteil als auch den Kohlenhydratanteil verarbeiten kann. Aus dem Ölanteil wird meist Biodiesel und aus dem Kohlenhydratanteil meist Bio-Ethanol hergestellt.

Literatur

Acien Fernandez, F. G., Fernandez Sevilla, J. M., Sanchez Perez, J. A., Molina Grima, E. und Christi, Y. (2001) Airlift-driven external-loop tubular photobioreactors for outdoor production of microalgae: assessment of design and performance. Chemical Engineering Science 56, 2721- 2732

Borowitzka, M. A. (1999) Commercial production of microalgae: ponds, tanks, tubes and fermenters. Journal of Biotechnology 70, 313-321

Carlsson, A. S., Van Beilen, J. B., Möller, R. und Clayton, D. (2007). Micro- and Macro-Algae: Utility for industrial applications. D. Bowles, University of New York.

Chisti, Y. (2007) Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances 25, 294-306

Weblinks

Algenforum