Algenbasierte Bioprozesse mit LED-Technologien optimieren

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Universität Erlangen Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik technik

Technische Universität München

Photobioreaktoren – LEDs zur internen Beleuchtung

Neben der Sterilisierbarkeit spielt bei Photobioreaktoren auch der effektive Lichteintrag eine sehr wichtige Rolle, da Licht ein limitierender Parameter für die photosynthetisch wachsenden Spezies ist. Algenzellen sind in der Lage, das Licht sehr effektiv zu absorbieren, sodass bereits bei niedrigen Zelldichten dessen Eindringtiefe nur wenige Millimeter beträgt, was niedrigere Produktivitäten nach sich zieht. Auch dieser Herausforderung konnten sich die Wissenschaftler der FAU Erlangen erfolgreich stellen. Ein neuartiges Konzept der internen Beleuchtung basiert auf LEDs (engl. Light-emitting diodes), die im Inneren des Bioreaktors schwimmen und diesen mit Licht versorgen. Mit ihrer Bandbreite an Wellenlängen setzen LEDs neue Maßstäbe für die Kultivierung phototropher Organismen. Die Energieversorgung der LEDs erfolgt drahtlos und basiert auf induktiver Energieübertragung mittels eines Magnetfeldes, sodass sich die so genannten Wireless Light Emitter gleichmäßig im Reaktor verteilen können und diesen homogener als externe Beleuchtungssysteme ausleuchten [6]. Die in diesem System durchgeführten Untersuchungen haben nicht nur gezeigt, dass das Wachstum einer Grünalge (Chlamydomonas reinhardtii) von dem notwendigen Magnetfeld nicht beeinflusst wird, sondern auch ein Anstieg der Biomasseausbeute von bis zu 80 % erreicht werden kann [4].

Sollen Mikroalgen für die Produktion von Bulk-Chemikalien in großen Volumina z.B. für die Biokraftstoffforschung angezogen werden, müssen aus energetischen und wirtschaftlichen Gründen offene Reaktorbecken und Sonnenlicht als Energiequelle verwendet werden. Hier sind die Produktivitäten im Vergleich zu den Photobioreaktoren niedriger, da z.B. die Durchmischung schlechter und damit der CO₂-Eintrag der Kultur niedriger ist. Geht die Sonne über dem Algenbecken unter, kann nicht wie im Photobioreaktor künstlich beleuchtet werden, da dies aus energetischen Gründen nicht sinnvoll wäre. Ein weiteres Problem in einem offenen Algenbecken sind die durch Staub und Wind eingebrachten Fremdorganismen. Häufig zeichnen sich diese durch höhere Wachstumsraten als die Algen aus und können – bei nicht optimalen Bedingungen – die Algenkultur zum Kippen bringen [8]. Umso wichtiger ist daher die Auswahl des richtigen Produktionsstammes und die Bestimmung dessen optimaler Wachstumsanforderungen vom Labor bis hin zur großtechnischen Anlage.

Vom Labor in die großtechnische Anlage

Um innerhalb dieses Prozesses unter gleichbleibenden Bedingungen arbeiten zu können, hat das Fachgebiet Industrielle Biokatalyse der TU München in Kooperation mit dem Berliner Unternehmen Futureled eine parallelisierbare Beleuchtungseinheit für Schüttelkolben entwickelt (s. Abb. 1). In diesem neuartigen Beleuchtungssystem wurden verschiedene eigens entwickelte Leuchtdioden eingebaut, die eine realitätsnahe Abbildung des kompletten photosynthetisch relevanten Bereichs des Sonnenlichtspektrums ermöglichen. Durch die Feinabstimmung der einzelnen LEDs ist es hiermit nun möglich, sowohl die Lichtintensitäten, als auch die Wellenlängenspektren für jeden einzelnen Stellplatz unterschiedlich einzustellen und somit auf einem Tablar bis zu 18 unterschiedliche Standorte zu simulieren. Damit lassen sich Lichtkinetiken für die Bestimmung der optimalen Bestrahlungsstärke sowie Tag-Nacht-Verläufe der Sonneneinstrahlung realistisch darstellen. Die große Variabilität der LEDs erlaubt auch eine weiterführende Analyse der Effekte einzelner Wellenlängen auf die Biomassezusammensetzung, sowie die Produktbildung der Algen.

Um die laborbasierten Prozesse in einen technisch relevanten Maßstab zu überführen, wurde von der TU München ein entsprechendes Technikum gebaut, in dem Licht- und Klimaszenarien mit derselben Futureled-LED-Beleuchtung wie im Labormaßstab durchgeführt werden können. Dies ermöglicht die Anpassung von Algenprozessen an einen spezifischen globalen Standort.

Über die Streuung des Sonnenlichts in der Atmosphäre kommen je nach Tageszeit unterschiedliche Wellenlängenbereiche verstärkt vor (z.B. rotes Licht im Morgengrauen und beim Abendrot). Diese Änderungen in der Spektralzusammensetzung sind mithilfe der neu entwickelten Technologie über einen 24h-Zyklus simulier- und steuerbar, sodass unter kontrollierten Laborbedingungen komplexe Beleuchtungseffekte untersucht aber auch gezielt gesteuert werden können.

Eine andere Anwendung ist die Simulation von Lichteinflüssen auf Algen in hochsalinen Gewässern. Hier werden mit zunehmender Gewässertiefe spezielle Wellenlängen des sichtbaren Lichtes absorbiert und stehen Algen in tieferen Schichten demnach nicht mehr zur Verfügung. Die Anpassungsstrategien dieser extremophilen Algen lassen sich nun nachstellen und besser verstehen.

Durch die Entwicklung der internen Beleuchtung von Photobioreaktoren kann die Ausbeute in geschlossenen Bioreaktoren erheblich erhöht werden und mit dem neuen LED-Schüttler ist es nun möglich, komplexe Änderungen in der Zusammensetzung des Lichtspektrums im Labormaßstab zu simulieren und zu untersuchen.

Die Autoren danken den Bayerischen Staatsministerien für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie sowie Bildung und Kultus, Wissenschaft und Kunst.

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