Abstract:
Die großtechnische Produktion von Mikroalgenbiomasse unter Freilandbedingungen unterliegt trotz ihres enormen Potentials nach wie vor einem Nischendasein im Markt der hoch-wertigen Biomasse. Diese Arbeit zeigt auf, dass eine stabile Kultivierung von Mikroalgenbiomasse unter Freilandbedingungen in Mitteleuropa (und potenziell ähnlicher Breitengrade) effektiv durchführbar ist. Es ist zu vermuten, dass an Orten näher der Wendekreise eine aufgrund höherer Globalstrahlungsprofile ebenso höhere Biomasseproduktivität ermöglicht werden könnte. Die erzielten PCE-Werte zeigen, dass die Effektivität der verwendeten Lichtkollektoren zum Einsammeln von Sonnenlicht, einem entscheidenden Einsatzkriterium bei der Durchführung phototropher Wachstumsprozesse, ganzjährig stabil ist und die Biomassezusammensetzung eine definierte und ebenso stabile Zusammensetzung im Jahresverlauf aufweist. ... mehrVergleichbare Daten sind in diesem Zusammenhang nicht verfügbar. Vergleichende Untersuchungen über Kurzzeitkultivierungen zeigen, dass die Leistungsfähigkeit des Tannenbaum-Photobioreaktors bezüglich der erzielten Parameter am installierten Standort, hinsichtlich der Produktivität der Mikroalgenbiomasse gesteigert werden kann. Im Rahmen der Versuche zur Langzeitkultivierung lag die maximal erzielbare Biomasseproduktivität jedoch nicht im Vordergrund. Vielmehr führten die Untersuchungen zum Verständnis einer gesicherten Prozessstabilität unter Anwendung der Steuermöglichkeit des Doppelschlauchsystems zur Temperierung und Aufrechterhaltung des erforderlichen Nährstoffniveaus und weiterer Wachstumsbedingungen. Die Molchbarkeit während der Kultiverung, d.h. ohne den Kultivierungsalgorithmus unterbrechen zu müssen, ermöglichte das Freihalten der Lichteintrittsflächen einerseits sowie eine Minimierung des Kontaminationsdruckes durch aufkeimenden Biobelag andererseits. Inwieweit eine Automatisierung des mechanischen Reinigungsprinzips, vor allen Dingen im Hinblick auf eine Vielzahl von Lichtkollektoren im großtechnischen Maßstab, möglich und praktikabel umsetzbar ist, sollte in zukünftigen Versuchsplänen Berücksichtigung finden.
Die erzielten Wachstumsraten in den Wintermonaten zeigen auf, dass eine Kultivierung an diesem Standort und in diesem Zeitraum nur mit natürlicher Lichtquelle und rein phototrophem Wachstum erfolgreich durchführbar, aber nicht effektiv im Sinne eines signifikanten Biomasseertrages realisierbar scheint. Der Hauptgrund hierfür liegt vor allen Dingen in den kurzen Tageslängen von teilweise weniger als 7,5 Stunden (am Standort der PBR). Demgegenüber steht eine Nachtphase, in diesem Fall, von 16,5 Stunden, in denen kein phototrophes Wachstum stattfindet. Aber auch das geringere Strahlungsniveau aufgrund der geringen Sonnenhöhe trägt zu niedrigen Lichtintensitäten, und folglich geringen Wachstumsraten, bei.
Eine stabile Nutzung der Photobioreaktoren über längere Zeiträume erfordert das Verständnis der Gesamtheit des Kultivierungssystems als Solches im Zusammenhang mit der unmittelbaren Umgebung. Aufgrund von äußeren Einflüssen wie schwankenden Luftdrücken, Niederschlag, Wind und weiterer Umwelteinflüsse kommt es grundsätzlich und unweigerlich zu wiederkehrenden und schwankenden Kontaminationsdrücken. Dieses Auftreten von Fremdorganismen bis hin zu Fraßfeinden bei der Verwendung von Monokulturen unter Freilandbedingungen über einen längeren Zeitraum ist in der Literatur hinlänglich bekannt. Es handelt sich hier vergleichsweise um die Herausforderung einer „Intensivlandwirtschaft“. Andere Ansätze, als den hier verwendeten zur Nutzung selbst-stabilisierender Kulturen, könnte die Nutzung einer Fruchtfolge, in diesem Fall Sortenfolge, vergleichbar mit dem Prinzip der traditionellen 3-Felderwirtschaft in der konventionellen Landwirtschaft, sein. Mit Hilfe des Ansatzes zu selbststablisierenden Mikroalgenkulturen ist es in den durchgeführten Versuchen erfolgreich gelungen, eine Leitkultur von Scenedesmus obliquus stabil über einen Zeitraum von fast 2 Jahren zu kultivieren.
Es konnte aufgezeigt werden, dass eine erhebliche Steigerung der Biomasseproduktivität bezüglich rein phototrophen Wachstums an geographischen Standorten deutich näher zu den Wendekreisen zu erwarten ist. Vor allen Dingen eine gleichmäßigere Verteilung der Globalstrahlung und dementsprechend um den Faktor 4 größere Globalstrahlungsintensität in den Wintermonaten gegenüber dem Standort der Reaktoren würde eine stabile Produktion von Mikroalgenbiomasse über 365 Tage erlauben. Zusammen mit den umgesetzten Maßnahmen im Zuge der Langzeitversuche an den Tannenbaum-PBR würde eine ganzjährige Standzeit bei stabiler Produktion durchführbar sein. Die erfolgreich umgesetzte saisonal-übergreifende Kultivierung mit Hilfe der Tannenbaum-Photobioreaktoren zeigt die Steuerbarkeit der Wachstumsbedingungen gegenüber den klimatischen Bedingungen am Standort eindeutig auf.
Abstract (englisch):
Despite of its huge potential in the market of high value biomass, the large-scale production of microalgae at outdoor conditions still leads a niche existence. This work shows, that a stable cultivation of microalgae biomass at outdoor conditions in Central Europe (and potentially comparable latitudes) is practicable in an efficient way. Nevertheless, locations, which are closer to the tropics offer the potential for even higher biomass productivities because of higher occurring radiation profiles. The efficiency of capturing sun light of the light collectors is a crucial challenge in phototrophic growth processes. ... mehrIt has been shown, that, using the truncated cone of the the “Christmas tree” photobioreactor, is consistent light capture is ensured year-round, which is also demonstrated by the PCE values as well as the stable and defined biomass composition. There is no comparable data available in the literature. Comparative studies of short-term cultivations show the potential of increased biomass productivities of the “Christmas tree” photobioreactor at the installed location. Nevertheless, looking at the overall goal of stable growth conditions for a long-term cultivation, maximum values of productivity have not been focused on in the first place. In fact, the cultivation tests led to an understanding of an assured process stability by means of using the double wall tubing system for temperature control and maintaining of required nutrient levels as well as additional growth parameters. The use of the piggability of the microalgae suspension hose during the cultivation without having to interrupt the process, allowed the prevention of biofilms at light entry surfaces on the one hand as well as minimizing contamination pressure on the other hand. In future design of experiments, it should be focused on automation of the mechanical cleaning procedure, especially when it comes to a numbering-up of light collectors.
The achieved results on growth rates during winter months indicate, that a cultivation using natural light source and, thus, pure phototrophic growth, at this location is successfully feasible, but not effectively realizable in terms of significant biomass output. The main reason for this can be found in short day lengths of sometimes less than 7.5 hours (at location of the PBR) and long night times of, in this case, 16.5 hours with no phototrophic growth. Also, low radiation intensities because of low solar elevation lead to low growth rates.
The stable use of photobioreactors on a long-term basis requires the throughout under-standing of the cultivation systems in combination with the immediate environment. Contamination pressure is occurring inevitably and recurring, because of environmental factors, like unstable air pressure, rainfall, wind and others. This occurrence of foreign organisms and predators, when using mono cultures at outdoor conditions over a long period, is well known in the literature. The overall process is basically dealing with the challenges of intensive agriculture. Other approaches, then the one dealing with self-stabilizing mixed cultures used here, could use a defined way of species rotation like the principle of three-field crop rotation in conventional agriculture. Here, by means of using the approach of self-stabilizing microalgae cultures, it was possible to consistently cultivate a dominant culture of Scenedesmus obliquus over a period of almost 2 years.
It has been shown, that a tremendous increase in biomass productivity of phototrophic growth can be reached at geographic locations closer to the tropics. A more consistent distribution of solar radiation and a four times higher radiation intensity in winter months, compared to the location of the used reactors, would allow for a stable year-round production of microalgae biomass. In combination with the implemented measures at the “Christmas tree” PBR during long-term trials a stable year-round operation and stable production would be feasible. The successfully conducted seasonal-round cultivation by means of the “Christmas tree”-PBR shows the effective control of growth parameters with respect to environmental conditions.
