Bioverfahrenstechnik (Prof. Dr.-Ing. Clemens Posten)

Entwicklung einer optimierten Erntestrategie für die Abtrennung von Mikroalgen zur Trinkwasseraufbereitung

  • Forschungsthema:Algenkultivierung, Membranfiltration, Abwasseraufbereitung
  • Typ:Masterarbeit, Bachelorarbeit, Praktikum
  • Datum:ab Januar 2021
  • Betreuer:

    M.Sc. Franziska Schwertner

Beschreibung der Abschlussarbeit

Bis zum Jahr 2030 wird ein weltweiter Wasserverlust von rund 40 % vorhergesagt, welcher beispielsweise durch momentan irreversible Kontamination von Wasserressourcen verursacht wird. Nicht zuletzt aus diesem Grund steigt die Bedeutung der Aufarbeitung von Abwasser immer mehr. Zu den Herausforderungen konventioneller Methoden zählen ein hoher Energieverbrauch, lange Prozesszeiten, hohe Kohlenstoffemissionen und oftmals instabile Trennleistungen. Mikroalgen-basierte Abwasserbehandlungsprozesse gewinnen als Alternative immer größere Bedeutung. Mikroalgen sind in der Lage, Nährstoffe (wie z.B. Phosphor (P) und Stickstoff (N)) mit hoher Effizienz aus dem Abwasser zu entfernen, die Energie der Sonne für ihr Wachstum zu nutzen und atmosphärisches Kohlenstoffdioxid zu binden. Die so generierte Biomasse enthält neben den fixierten Nährstoffen weitere Komponenten (Speicherstoffe wie Stärke, Lipide, Proteine), wodurch diese in den verschiedensten Brachen (Lebensmittel, Landwirtschaft, …) Einsatz finden kann.

Eingebettet in ein internationales Projekt (AnMBRA) soll eine Filtrationsanlage zur effektiven Abtrennung von Algen etabliert werden. Ziel hierbei ist die Aufarbeitung von Abwasser aus der Lebensmittelindustrie in einem zweistufigen Prozess. Zunächst werden organische Komponenten des Abwassers in einem anaeroben Membranbioreaktor (MBR) abgebaut (Stufe 1). Dessen Ablauf wird in der zweiten Stufe des Prozesses in einen Mikroalgen-Photobioreaktor geleitet. Durch Wachstum und Stoffwechselaktivität fixieren die Algen die dort enthaltenen Nitrate und Phosphate in der Biomasse, wodurch es gleichzeitig zu einer weiteren Reinigung des Abwassers kommt. Der Abfluss dieser Stufe stellt das Zielprodukt des Prozesses dar: Trinkwasser. Um dieses zu erhalten wird ein innovatives Mikroalgen-Erntesystem angewandt, welches sich dem Prinzip der Membranfiltration mit getauchten Ultrafiltrations-Membranen (Hohlfasern) bedient. Ziel der Arbeiten am KIT ist die Entwicklung einer optimierten Erntestrategie, um einen kontinuierlichen Trinkwasserstrom mit gleichbleibender Qualität zu erzeugen.

Auf den Prozess der Abwasseraufbereitung wirken verschiedene äußere Einflüsse: Neben einem variablen N- sowie P-Gehalt des Abwassers, spielen Veränderungen in den Lichtverhältnissen eine signifikante Rolle im Prozess. Das Wachstum sowie der Stoffwechsel (und damit die Fähigkeit zur Aufnahme von P und N) von Mikroalgen ist an die Verfügbarkeit von Licht gekoppelt. Diese variieren im Laufe eines Tages (Tag/Nacht-Zyklus) sowie eines Jahres (Jahreszeiten) stark. Weiterhin können wetterbedingt (z.B. Bewölkung) Temperaturschwankungen auftreten, wodurch Vitalität und Wachstum der Zellen beeinflusst werden können. Ziel ist es daher, die Algenkonzentration im Photobioreaktor mithilfe der intern entwickelten Ernteanlage automatisch an die aktuell auf den Gesamtprozess wirkenden Gegebenheiten anzupassen. Dadurch soll gewährleistet werden, dass der Abbau von Stickstoff und Phosphor zu jeder Zeit ausreichend stattfindet, um so die Qualität des Trinkwassers zu garantieren.

Wir suchen motivierte Studierende der Fachrichtung Bio- oder Chemieingenieurwesen, Biotechnologie oder verwandten Fachrichtungen mit Interesse an Algenkultivierung und Filtrationstechnik. Vorkenntnisse im Bereich Kultivierung sind hilfreich, jedoch kein Muss, eine verantwortungsbewusste und zuverlässige Arbeitsweise sowie Fleiß und Spaß an der Laborarbeit sind wichtiger. Im Zuge der beschriebenen Aufgabenstellung sind verschiedene Schwerpunkte zu bearbeiten. Diese können in Absprache an die jeweiligen Interessen des Studenten ausgewählt und angepasst werden.

Im Zuge der Abschlussarbeit bieten wir die Einarbeitung in die Thematiken der Kultivierung und Membranfiltration sowie das Kennenlernen von gekoppelten (Bio-)Prozessen. Außerdem besteht die Möglichkeit zur eigenständigen, wissenschaftlichen Arbeit und dem Einbringen eigener Ideen.