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

Untersuchung des Einfluss der Wachtumsphase auf die Filtration mit Chlorella vulgaris

  • Forschungsthema:Algenkultivierung, Membranfiltration, Abwasseraufbereitung
  • Typ:Masterarbeit, Bachelorarbeit, Praktikum
  • Datum:abgeschlossen
  • Betreuer:

    M.Sc. Franziska Schwertner

Beschreibung der Abschlussarbeit

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.

Eine der größten Herausforderungen der Membrantechnik ist das sogenannte Fouling. Fouling beschreibt die Verblockung der Membranporen, beispielsweise durch die Anlagerung von Feststoffen. Dadurch verringert sich der effektive Porendurchmesser, wodurch der für die Filtration zu überwindende Widerstand steigt. Insgesamt wird dadurch die Effizienz eines Filtrationsprozesses verringert. Fouling-Phänomene treten bei allen Membranprozessen auf, durch verschiedene Maßnahmen können diese reduziert, allerdings niemals vollständig verhindert werden. Verblockte Membranen sind letztendlich nur durch eine chemische Reinigung wiederherzustellen, wodurch Ausfallzeiten und Mehrkosten entstehen. Um einen Filtrations-Prozess möglichst lange Zeit aufrecht zu erhalten, ist es daher wichtig, die Entstehung von Fouling zu verlangsamen.

Abhängig vom eingesetzten Material sind Membranen unterschiedlich geladen. Diese Ladung wird durch den pH-Wert der umgebenden Lösung beeinflusst. Auch die in der zu trennenden Lösung enthaltenen Partikel tragen Ladung an ihrer Oberfläche. Haben Partikel und Membran eine unterschiedliche Ladung, so ziehen sie sich an und begünstigen damit Fouling. Im Gegensatz verursachen gleiche Ladungsverhältnisse eine Abstoßung. Entscheidend für die Filtrierbarkeit einer Zellsuspension sind also die Ladungsverhältnisse zwischen Membran und Zellen. Aus der Literatur ist bekannt, dass die Ladung der Zelloberfläche von der Wachstumsphase abhängt. In kontinuierlichen Kultivierungsprozessen, wie sie auch in der Trinkwasseraufbereitung realisiert werden, können Zellen durch verschiedene Prozess-Führungsstrategien in einer Wachstumsphase gehalten werden. Die jeweilige Phase richtet sich dabei nach den Bedürfnissen des Prozesses.

Im Zuge der studentischen Arbeit soll daher der Einfluss der Wachstumsphase der Mikroalge Chlorella vulgaris auf die Filtrierbarkeit mit der im Projekt eingesetzten Membran untersucht werden. Hierfür ist zunächst eine Wachstumskurve der Alge aufzunehmen. Basierend auf diesen Ergebnissen wird im Anschluss eine Filtration der Zellsuspension verschiedener Wachstumsstadien durchgeführt. Ein weiteres Ziel der Arbeit ist die Untersuchung des Beitrags der verschiedenen Komponenten der zu trennenden Suspension (Zellen bzw. gelöste Substanzen wie Polysaccharide) zum Fouling. Hierfür wird die Algensuspension in verschiedene Fraktionen aufgeteilt und diese separat filtriert.

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 ist wichtiger.

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.