Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Nutzung von Filtratwasser aus der Vergärung für die Kultivierung von Mikroalgen

Wirtschaftliche und nachhaltige Algenproduktion

Für eine wirtschaftliche und nachhaltige Produktion von Algenbiomasse für die stoffliche und energetische Verwertung sind die Schritte entlang der gesamten Prozesskette zu optimieren. Die Herausforderungen für eine nachhaltige Mikroalgenproduktion im Einzelnen sind:

  • Energieeffiziente Mikroalgenproduktion
    Hierzu bedarf es eines Photobioreaktors, der eine hohe Photosyntheserate auch bei hohen Zellkonzentrationen gewährleistet, und dessen Energiebedarf für die Algenproduktion niedriger ist als der Energiegehalt der produzierten Algenbiomasse.
  • Produktgewinnung
    Lösemittel und Lösemittelqualität müssen auf die Produkte abgestimmt werden; die Extraktion sollte aus der nassen Biomasse erfolgen, um Energieeinträge durch Trocknungsprozesse zu vermeiden.
  • Restbiomassenutzung integrieren
    Nach der Gewinnung der Wertstoffe steht die lignocellulosefreie Restbiomasse für die anaerobe Mineralisierung zu Biogas und damit zur energetischen Wertschöpfung zur Verfügung.
  • Recycling von Nährstoffen
    Neben der Nutzung von Abgas-CO2 trägt die Nutzung stark stickstoff- undphosphathaltiger Abwässer zur Kostenreduktion bei.
  • Wasserkreislaufführung
    Die Kreislaufführung von Wasser kann sowohl über die erneute Nutzung der Kultivierungsmedien realisiert werden als auch durch die Nutzung von stickstoff- und phosphathaltigen Abwässern.

Nährstoffe aus Abwasser nutzen

Kreislaufführung von Stickstoff und Phosphat durch Kopplung von anaerober Vergärung und Algenproduktion.
Kreislaufführung von Stickstoff und Phosphat durch Kopplung von anaerober Vergärung und Algenproduktion.
Mikroalge Phaeodactylum tricornutum, 1000fache Vergrößerung.
Mikroalge Phaeodactylum tricornutum, 1000fache Vergrößerung.

Im Rahmen des Projekts »Mehr Biogas aus lignocellulosearmen Abfall- und Mikroalgenreststoffen durch kombinierte Bio-/ Hydrothermalvergasung – EtaMax« ist es uns gelungen, die Nährstoffkreisläufe zwischen Algenbiomasserzeugung und Energieerzeugung durch anaerobe Vergärung zu schließen.

Abwasserströme aus Biogasanlagen zur Klärschlammvergärung mit hohen Beladungsraten, sogenannte Hochlastfaulungen, zeichnen sich durch hohe Ammonium- und Phosphatkonzentrationen bis zu 1300 mg NH4 pro Liter bzw. 200 mg Phosphat pro Liter aus. In diesen Hochlastfaulungen werden partikelfreie Abwasserströme durch Ultrafiltration mit Rotationsscheibenfiltern gewonnen. Derzeit wird in diesen Abwasserströmen in energieintensiven Prozessschritten Ammonium zu Stickstoff umgesetzt oder zusammen mit Phosphat gefällt. Eine Wiedernutzung ist damit nicht möglich. Im EtaMax-Projekt wurden diese stark N- und P-haltigen Abwasserströme daher für die Algenproduktion eingesetzt.

In ersten Versuchen mit Phaeodactylum tricornutum, einer Alge, welche die Omega-3-Fettsäure EPA (Eicosapentaensäure) enthält, konnte erfolgreich Filtratwasser aus zwei verschiedenen kommunalen Biogasanlagen als Kulturmedium eingesetzt werden. Für die kontinuierliche Biomasseproduktion in Flachplatten-Airlift-Photobioreaktoren musste je nach Herkunft des Filtratwassers lediglich Phosphat bis zu einem optimalen N-zu-P-Verhältnis zugegeben werden. Die mit Filtratwasser erzielten Biomasseproduktivitäten waren sogar höher als die mit synthetischem Medium.

Somit können synthetische Medien vorteilhaft durch Abwasserströme der anaeroben Vergärung ersetzt werden. Dies ist ein weiterer Schritt, um Algenbiomasse für die energetische Verwertung (Öle, Biogas) mit einer nachhaltigen Kreislaufführung von Wasser und Nährstoffen herzustellen, die zudem deutlich die Kosten und den Energiebedarf reduziert.