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Der Photobioreaktor – Typen und Einsatzgebiete

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Zur Zucht von Mikroalgen wird oft ein Photobioreaktor (Algenreaktor) eingesetzt, gerade wenn eine standardisierte und hochwertige Biomasse erzeugt werden soll. Viele Unternehmen erforschen und entwickeln Photobioreaktor-Systeme, die eine effiziente und kostengünstige Algenzucht ermöglichen sollen. Ich möchte hier einen kleinen Überblick über verschieden Ansätze zur Kultivierung von Mikroalgen in geschlossenen Systemen geben.

Die Systeme die ich nachfolgend erwähne stellen Grundprinzipien der Photobioreaktor-Technologie dar. Je nach Hersteller bzw. Entwickler finden sich verschiedene Ausprägungen dieser Reaktortypen, die meist mit einer Optimierung des grundlegenden Designs einhergehen. Aber klären wir vorab eine wichtige Frage:

Was ist ein Photobioreaktor?

Photobioreaktoren sind geschlossene Kultivierungssyteme für phototrophe Organismen (z.B. Algen, Cyanobakterien, einzellige Moose), die über ein entsprechendes Design, die effiziente Nutzung von Licht zur Zucht der Biomasse ermöglichen.

Photobioreaktoren können innen oder außen eingesetzte werden. Innen werden die Reaktoren mit künstlicher Beleuchtung kombiniert, im Außenbereich (meist in Gewächshäusern) wird üblicherweise das Sonnenlicht zur Kultivierung genutzt.

Wie ist ein Algen-Photobioreaktor aufgebaut?

Photobioreaktoren variieren erheblich in Material und Konstruktionsweise. Ihnen allen gemein ist, dass sie auf Basis ihrer Konstruktion eine optimale Lichtversorgung der Alge gewährleisten sollen. Wie dieses Ziel erreicht wird, zeigen unterschiedlichste Ansätze. Auf dem Markt befinden sich zum Beispiel Algenreaktoren, die mit Kunststoff-Beuteln oder Schläuchen arbeiten oder Systeme die mit flachen Behältern oder Röhren die Algen-Biomasse in dünnen Schichten der Sonne exponieren.

Jeder Reaktor hat neben dem lichtdurchlässigen Photosyntheseteil auch einen Zulauf für CO2 und Dünger und eine Möglichkeit die Biomasse zu ernten. Meist wird der Zustand und die Dichte der Algenkultur noch über eine sensible Mess-Elektronik detektiert, um regelnd eingreifen zu können.

Photobioreaktor Typen

Röhrenreaktor

Der Röhrenreaktor ist ein ausgereifter und bereits in Großanlagen verbauter Photobioreaktor. Die Algensuspension wird in durchsichtigen Röhren aus Glas oder Plastik geführt und mittels einer Pumpe in Bewegung gehalten. Aufgrund seines relativ hohen Energieverbrauchs wird der Röhrenreaktor aktuell eher zur Zucht hochwertiger Algenbiomasse eingesetzt. Kleinere Exemplare findet man auch in Laboren, sie können z.T. auch steril betrieben werden.

Helix- oder Coil-Reaktor

Dieser Reaktortyp ist im Grunde ein Röhrenreaktor, der allerdings keine Glasröhren einsetzt, sondern einen flexiblen Schlauch. Dieser wird dann kreisförmig angeordnet, die Prozessführung ähnelt dem Röhrenreaktor. Mit ersten Exemplaren wurde schon vor einigen Jahrzehnten experimentiert. Auch heute wird die Entwicklung dieses Reaktortyps weiter voran getrieben.

Beutel- oder Schlauch-Reaktor

Ein Photobioreaktor auf Basis von einzelnen Kompartimenten aus Kunststofffolie, oft hängend angeordnet. Es gibt hier auch Ansätze funktionale Kunststoffe einzusetzen und Ideen, die Beutel auf dem Wasser zu positionieren. Die Durchmischung erfolgt meist durch den CO2 Eintrag und ist damit relativ energieeffizient. Die Folie ist dabei nicht auf einen langfristigen Einsatz ausgerichtet, sondern wird von Zeit zu Zeit erneuert.

Kessel-Reaktor

Beim Kessel-Reaktor wird ein üblicherweise säulenförmiger Flüssigkeitsbehälter eingesetzt, in dem die Algenbiomasse gezüchtet wird. Je nach Design des Behälters, wird über verschiedene Systeme versucht Licht in den Behälter einzubringen. Dies kann Sonnenlicht sein, oder artifizielle Lichtquellen. Manche Ansätze nutzen dazu Linsensysteme und Lichtleiter. Eine Durchmischung kann über verschiedene Mechanismen erfolgen, wie z.B. Gaseintrag oder Umwälzung durch Pumpen.

Flachplatten-Reaktor

Dieser Ansatz wird von einige Unternehmungen und Forschungseinrichtungen in verschiedensten Designs genutzt. Die Algen werden dabei im Kulturmedium in flachen Schichten dem Licht ausgesetzt. Begrenzt wird der Reaktor durch Glas- oder Plastik-Platten, die Durchmischung erfolgt durch den Gaseintrag. Gerade von diesem Photobioreaktor findet man weltweit verschiedenste Ausprägungen.

Dünnschicht-Reaktor

Im Dünnschicht-Reaktor, wird das Prinzip der Minimierung der Algenschicht zur optimalen Lichtausbeute konsequent weiter verfolgt. Damit soll die Selbst-Überschattung dichterer Algensuspensionen gemindert werden. Immobilisierte Algen werden dabei auf einem Trägermaterial dem Licht exponiert.

Algen-Fermenter (heterotrophe Zucht)

Abseits der Photobioreaktoren, die für den Einsatz zur phototrophen Zucht von Algen gedacht sind, existieren auch Ansätze die in geschlossenen Fermentern Mikroalgen produzieren. Diese lichtundurchlässigen Stahlkesssel werden dann eingesetzt, wenn Algen mit organischen Substraten „gefüttert“ werden und dadurch zum Aufbau von Biomasse kein Licht benötigt wird.

Neben den genannter Photobioreaktor-Typen gibt es auch noch weitere Ansätze. Zu den geschlossenen Systemen zählen manche auch noch überdachte Racewayponds. Um den Eintrag von Fremdorganismen zu reduzieren werden dabei Überdachungen aus Plastikplanen über dem System insatlliert.

Ein innovatives System, das ich gerade vor kurzem in Augenschein nehmen durfte, habe ich in meinem Bericht vom European Workshop Biotechnology of Microalgae kurz kommentiert.

 

Einsatzgebiete

In der „Algen-Szene“ wird heiß darüber diskutiert, welche Systeme nun im Hinblick auf die Produktion von Biokraftstoffen aus Mikroalgen zu bevorzugen sein – Photobioreaktoren oder Open Ponds. Hier zeigt sich auch, dass die Photobioreaktortechnik zwar voran schreitet, aber immer noch teuer und aufwändig ist und damit aktuell Einschränkungen in den Anwendungsgebieten erfährt.

Bedingt durch die hohen Investitionsvolumina und operativen Kosten lohnt sich aktuell eine wirtschaftliche Produktion in Photobioreaktoren nur, wenn hochwertige Stoffe (Omega3-FS, Carotinoide) aus den Algen gewonnen werden sollen.

Die Produktion von Nahrungsergänzungsmittel aus Algen (z. B. Tabletten aus Chlorella oder Spirulina), könnte, abhängig vom Geschäftsmodell und eingesetztem Reaktor, unter Umständen wirtschaftlich sein. Allerdings ist die Konkurrenz aus Asien extrem stark und dominiert die Preisgestaltung.

Photobioreaktoren bieten den großen Vorteil, dass Sie unter kontrollierten Bedingungen Biomasse produzieren. Im Zuge der Industrialisierung der Algenbiotechnologie und der damit einhergehenden Standardisierung von Algen-Biomassen, werden Photobioreaktoren immer häufiger zum Einsatz kommen. Kostenoptimierung und Steigerung der Ausbeute sind aktuell die Themen, mit denen sich weltweit Forscher auseinander setzen.

Mit dem Fortschritt der Technologien, werden sich auch zunehmend Algenfarmen etablieren. Interessante Ansätze sind auch in der Kombination von Photobioreaktoren und Open Ponds zu finden.

 

5 Comments

    • Verschiedene Hersteller bieten PBRs an. Die Palette reicht dabei von Labormaßstab bis hin zu Anlagen zur industriellen Produktion. Hier in Deutschland wären z.B. IGV GmbH, Novagreen, Phytolutions oder Subitec zu nennen. Die Auswahl des Systems sollte auf Basis von Faktoren wie Einsatzzweck (Produkt), Produktionsstandort und Investitionsvolumen erfolgen.

  1. Martin Drewelius 16. July 2013 at 14:51 Reply

    Ich interessiere mich für Beutel- oder Schlauch-Reaktor zur Kultivierung von Algen. Wo kann ich diese kaufen? Vielen Dank!

    • Sie finden einige Firmen in meiner Antwort auf den letzten Kommentar. Die Liste umfasst auch Anbieter der von Ihnen gewünschten Systeme.

  2. Guten Tag,

    ich schreibe momentan an meiner Abschlussarbeit zu dem Thema “Auslegung und Aufbau eines Photobioreaktors für die Algenzucht”. Da es kaum Unterlagen über die Auslegung solcher Reaktoren gibt also folgende Frage: Kann mir hier jemand Tipps geben und mir bei der Auslegung weiterhelfen?
    Ich habe mich für die Bauweise des Rohrreaktors entschieden, über das Vorgehen bei der Auslegung bin ich mir allerdings noch im unklaren.

    Grüße

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