Photobioreaktor

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Photobioreaktor mit dem Laubmoos Physcomitrella patens
Tannenbaum-Reaktor
Optimierter Lichteinfall beim Tannenbaum-Reaktor im Tagesgang der Sonne

Als Photoreaktor oder auch Photobioreaktor bezeichnet man einen Bioreaktor zur Kultivierung und Produktion von phototrophen ein- oder wenigzelligen Organismen wie Algen, Cyanobakterien, Moospflanzen [1] oder pflanzliche Zellkulturen. Ein mit Algen betriebener Reaktor wird auch als Algenreaktor bezeichnet. Ein weiteres Beispiel dieser Technologie ist der von Ralf Reski entwickelte Moosbioreaktor, ein Photobioreaktor mit genetisch verändertem Physcomitrella patens. [1][2]

Im Gegensatz zur Fermentation von heterotrophen Organismen, wie zum Beispiel Bakterien, Pilzen oder tierischen, die reduzierte Kohlenstoffverbindungen wie Zucker, Fette etc. als Energiequelle verwenden, wird im Photoreaktor die Fähigkeit phototropher Organismen zur Photosynthese als Energiequelle genutzt. In Photobioreaktoren können sie aus nährsalzhaltigen Abwässern und kohlenstoffdioxydhaltigen Abgasen Biomasse produzieren. Auch für die Biodieselproduktion lassen sie sich nutzen.[3] Am vorteilhaftesten haben sich dafür röhrenförmige Reaktoren aus durchsichtigem Glas oder Kunststoff in Form eines geschlossenen Kreislaufes erwiesen, durch welche eine Nährlösung mit den Algen oder anderen Mikroorganismen kontinuierlich gepumpt wird. Bisher waren nur Photobioreaktoren wirtschaftlich, mit denen in geschlossenen Räumlichkeiten teilweise unter Kunstlicht spezielle organische Produkte für die Pharma- und Kosmetikindustrie produziert wurden.[4]

Mit Zeiten steigender Energiekosten und sinkender Förderraten fossiler Rohstoffe werden in Photobioreaktoren produzierte Biomassen auch für die Märkte energetischer Nutzung (Biokraftstoffe, Biogas) zunehmend interessant. Dabei haben Mikroorganismen in Photobioreaktoren durch ihr schnelles Wachstum verglichen mit konventionellen Nutzpflanzen[5] ein weitaus höheres Potential für die Produktion von Biodiesel für Biotreibstoff.[6] Daraus ergibt sich ein reduzierter Flächenbedarf und wegen der geringeren Ansprüche auch weniger Nutzungskonflikte mit der Nahrungsmittelproduktion.[7]

Photobioreaktor nach dem Tannenbaum-Prinzip

Einen völlig neuartigen Ansatz beschreibt die Firma GICON GmbH mit der Entwicklung eines Photobioreaktors, der aufgrund seiner kegelstumpfförmigen Geometrie und des helikal angebrachten, transluzenten Doppelschlauchsystems eine ideale Licht-/Wärmeeinstrahlung, hohe Flächenproduktivität und Temperierfähigkeit aufweist. Das modular aufgebaute Reaktorsystem ist auf beinahe jede beliebige Größe skalierbar und für den out-door-Einsatz geeignet. Sowohl die variable Reaktor- und Schlauchgeometrie, als auch die Temperierfähigkeit und das innovative MSR-Steuerkonzept bieten gegenüber anderen kommerziellen Photobioreaktorsystemen damit den Vorteil einer nahezu uneingeschränkten Standortwahl.

Durch Einsatz neuartiger Werkstoffe wird bei der Kultivierung von Mikroalgen die Biobelagbildung minimiert und damit die Biomasse-Endkonzentration gegenüber anderen Systemen deutlich gesteigert. In Kombination mit – durch Pulsation erzeugten – Turbulenzen und der Konzeption als geschlossenes System wird ein kontaminationsarmer Betrieb mit hoher Anlagenverfügbarkeit gewährleistet.

Dieses innovative System wurde bereits vielfach in der Fachliteratur für Biotechnologie beschrieben und vom German Center for Research and Innovation in New York als „Innovation des Monats Mai 2012“ ausgezeichnet.[8]

Literatur

  • Otto Pulz (2001): Photobioreactors: production systems for phototrophic microorganisms, Appl Microbiol Biotechnol (2001) 57:287–293, doi:10.1007/s002530100702
  • GICON GmbH (2011): Aufbau eines Biosolarzentrums in Köthen-Kooperation zwischen Hochschule Anhalt und der Firma GICON; News auf der Firmenwebsite
  • F. Cotta, M. Matschke, J. Großmann, C. Griehl und S. Matthes; „Verfahrenstechnische Aspekte eines flexiblen, tubulären Systems zur Algenproduktion“; DECHEMA 2011 (PDF)

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 Eva L. Decker, Ralf Reski (2008): Current achievements in the production of complex biopharmaceuticals with moss bioreactors. Bioprocess and Biosystems Engineering 31(1), 3-9, PMID 17701058
  2. Annette Hohe, Ralf Reski (2005): From axenic spore germination to molecular farming – one century of bryophyte in vitro culture. Plant Cell Rep 23, 513-521, PMID 15558285
  3. Ayhan Demirbas und M. Fatih Demirbas: „Algae Energy: Algae as a New Source of Biodiesel Green Energy and Technology.“ Springer, 2010, S. 80 ff.
  4. Ayhan Demirbas und M. Fatih Demirbas: „Algae Energy: Algae as a New Source of Biodiesel Green Energy and Technology.“ Springer, 2010, S. 80.
  5. Wencker,T and Pulz,O: Photobioreactor design principles, Submariner Project Cooperation Event 2011 (PDF)
  6. Samir Kumar Khanal, Rao Y. Surampalli, Tian C. Zhang, Buddhi P. Lamsal, R. D. Tyagi: „Bioenergy and Biofuel from Biowastes and Biomass“, Environmental and Water Resources Institute (U.S.). Bioenergy and Biofuel Task Committee, ASCE Publications, 2010, S. 337.
  7. Christine Rösch, Juliane Jörissen, Johannes Skarka und Nicola Hartlieb: Wege zur Reduzierung von Flächennutzungskonflikten. In: TECHNIKFOLGENABSCHÄTZUNG – Theorie und Praxis, hrgg. vom Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS), Nr. 2 - Schwerpunkt: Flächennutzungskonflikte – Ursachen, Folgen und Lösungsansätze, 17. Jahrgang - September 2008, S. 66-71.
  8. http://www.gicon.de/news-and-jobs/aktuelles/nachrichtendetails/archive/2012/may/27/article/gicon-algenreaktor-innovation-des-monats.html

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