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Entwicklung eines nachhaltigen Verfahrens zur Mikroalgenernte

Entwicklung eines nachhaltigen Verfahrens zur Mikroalgenernte
Ansprechpartner:

M.Sc. Franziska Schwertner

Förderung:

Deutsch-Israelische Kooperation des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) sowie des Ministry of Science & Technology (MOST)

Starttermin:

Juli 2018

Projektbeschreibung

In den rund 10.000 kommunalen Kläranlagen Deutschlands werden jährlich 9,4 Milliarden Kubikmeter Abwasser behandelt. Diese Aufarbeitung ist energieintensiv und erzeugt durch den enormen Stromverbrauch eine Emission von circa 3 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid (CO2) jährlich. Neben der Entstehung von Treibhausgasen ist außerdem die Effizienz dieser Verfahren oftmals ungenügend, Nitrat oder Phosphat verbleiben im Wasser. Ein Potential stellt daher der Einsatz von Mikroalgen zur Abwasserreinigung dar. Diese können die verbleibenden Nähstoffe nutzen und weiterhin CO2 unter der Bildung von Biomasse binden. Eine Herausforderung beim Einsatz der Algen ist deren energieeffiziente Abtrennung. Eine vielversprechende Möglichkeit stellt dabei die Filtration mittels Ultrafiltrations (UF)-Membranen dar. Eingebettet in ein internationales Projekt soll daher eine Filtrationsanlage zur effektiven Abtrennung von Algen etabliert werden. Ziel dieses Konzepts ist die Aufarbeitung von Abwasser aus der Lebensmittelindustrie in einem zweistufigen Prozess. In der zweiten Stufe des Prozesses findet ein Mikroalgen-Photobioreaktor Einsatz, dessen Abfluss das Zielprodukt – Trinkwasser – darstellt. Der Schwerpunkt der Arbeiten am Bioverfahrenstechnik Institut des KIT liegt bei der Algenabtrennung sowie der Prozessintegration und Steuerung. In Kooperation mit der Jakobs Universität in Bremen findet die Auswahl der im Projekt eingesetzten Algenspezies statt. Dort werden Algen aus der Natur isoliert und hinsichtlich ihrer Abbauleistung von Mineralstoffen charakterisiert. In Absprache mit der Ben-Gurion University of the Negev (Israel) soll außerdem eine Fouling-arme Membran entwickelt und später am KIT getestet werden.

Als Teil dieses Wasser-Aufarbeitungsprozesses wurde die Filtrations-Anlage „Harvester“ im Pilotmaßstab entwickelt. Das hierfür eingesetzte Membranmodul bedient sich dem Prinzip getauchter Membran-Hohlfasern zur fest/flüssig Trennung. Im laufenden Betrieb können verschiedene Parameter (Temperatur, pH, Trübung, Leitfähigkeit, Stoffströme) online gemessen und durch das entwickelte Prozessleitsystem verschiedene Betriebsweisen realisiert werden. Dadurch ist es möglich, die Anlage vollständig automatisiert zu betreiben, auf (störende) Einwirkungen einzugehen. Ziel ist es dabei, eine optimierte Erntestrategie hinsichtlich der Algenbiologie zu entwickeln, um zu jeder Zeit und unabhängig der Störgrößen eine gleichbleibende Wasserqualität bei maximaler Abbauleistung der eingesetzten Mikroalgen zu erhalten. Im späteren Betrieb wirken verschiedene äußere und innere Einflussfaktoren (Wetter und Klima, Abwasser-Zusammensetzung, Biofouling, variable Lichtintensität usw.) auf den gesamten Prozess ein. Als „Stellrad“ dieser Erntestrategie dient die Konzentration an Algenzellen im Photobioreaktor. Hierfür steht die Etablierung der Zellrückführung und Zellernte im Fokus. Je nach Beladung des Photobioreaktors mit Abwasser und den Beleuchtungsbedingungen der wachsenden Algenmenge, müssen verschiedene Mengen der Zellen im Reaktor zurückgehalten oder aber geerntet (= aus dem System entnommen) werden. Damit wird nicht nur die Ernte selbst der jeweiligen produzierten Algenbiomasse angepasst, sondern auch der Umsatz der Mineralstoffe im Abwasser maximal gestaltet und der CO2-Verbrauch durch Variation der Bedingungen angepasst. Die verschiedenen Messsensoren an der Anlage erlauben die Entwicklung einer effektiven Regelungsstrategie. Weiterhin soll der gesamte Ernteprozess modelliert werden, um die Anlage besser zu verstehen und Extremsituationen besser einschätzen zu können.

Um eine große Anzahl an unterschiedlichen Experimenten mit konstanten, kontrollierbaren und reproduzierbaren Ergebnissen durchführen zu können, wurde die vorhandene Anlage verkleinert (Down-Scale, sog. „Mini-Harvester“). Mit dem Ziel, eine kleine Filtrations-Anlage an die vorhandene Photobioreaktor-Technologie im 2 L Maßstab zu koppeln, wurde ein sogenannter Mini-Harvester entworfen. Bei der Entwicklung wurde ein konstanter Skalierungsfaktor eingehalten, welcher es erlaubt, Erkenntnisse auf die größere Anlage zu transferieren. Ein weiterer Vorteil des Aufbaus ist die Möglichkeit, verschiedene Membran-Materialien testen zu können. Durch den simplen Austausch der Halterung der Membran-Fasern (inkl. Fasern), kann ein Mini-Harvester für eine Vielzahl an unterschiedlichen Materialien Einsatz finden. Im Austausch mit den Projektpartnern aus Israel können so die dort entwickelten Membranen sofort im Anwendungsfall getestet werden.