Phyt-O-mat – Entwicklung eines modularen, künstlich beleuchteten Photobioreaktorprototyps für die Kultivierung astaxanthinhaltiger H. pluvialis Biomasse

Photobioreaktoren nach dem Flachplattenprinzip bieten durch ihr hohes Oberfläche-zu- Volumen-Verhältnis den großen Vorteil, besonders viel Licht auf alle Algenzellen zu verteilen. Eine gute Durchmischung des Reaktorvolumens erhöht durch Lichtintegration diesen Effekt, was im Vergleich mit anderen etablierten Systemen und je nach kultiviertem Algenstamm zu höchsten Biomasse- und Produktproduktivitäten führt [1]. Die bisher überwiegend angewandte Freilandkultivierung von Algen, die durch stark schwankende Licht- und Temperaturbedingungen gekennzeichnet ist, ermöglicht trotz der Wahl der fortschrittlichsten Flachplatten-Reaktorsysteme wiederum nur geringe Raum-/Zeitausbeuten. Erschwerend für einen breiten Einsatz der Systeme kommt ein zu geringer Technologiereifegrad hinzu. Insbesondere für eine schnelle, modulare Skalierung und Kommerzialisierung der Technologie müssen die Investitions- und Betriebskosten signifikant gesenkt werden.

Höhere Produktivität durch künstliche Beleuchtung

Die künstliche Beleuchtung von Photobioreaktoren stellt hierbei eine zunehmende Alternative dar, um Algen mit Photonen zu versorgen [2]. Da die LED-Industrie in den letzten Jahren einen enormen Effizienzsprung gemacht hat sowie ein rasanter Preisverfall der kleinen SMD-Chips in der Massenfertigung stattfindet, ermöglicht dies in zunehmendem Maße einen witterungsunabhängigen Ganzjahresbetrieb industrieller Algenanlagen bei einer konstanten Produktqualität. Die Stromkosten belaufen sich dabei auf ca. 80 bis 90 Prozent der Betriebskosten, wobei die Kühlung der Systeme nur noch eine untergeordnete Rolle spielt. Der Energieeinsatz beläuft sich dabei bisher auf ca. 150 kWh/kg Algenbiomasse für einstufige Prozesse im industriellen Einsatz [3]. Erste Laborergebnisse zeigen einen verbesserten Energieeinsatz von ca. 80 bis 100 kWh/kg Algenbiomasse bei einer weiteren signifikanten Steigerung der Produktivität im Vergleich mit dem volatilen Sonnenlicht in Outdoorsystemen. 

Modularer Stack-Reaktor mit LED-Beleuchtung

Im Projekt Phyt-O-mat soll der Energieeinsatz pro Kilogramm Algenbiomasse weiter gesenkt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein neuer Reaktorprototyp aufgebaut, der neben der besseren Lichtverwertung eine kostengünstige modular skalierbare Reaktorplattform ermöglicht, welche je nach Algenstamm, Markt und Produkt vorteilhaft in der Prozessindustrie eingesetzt werden kann. Dabei fließen Aspekte wie geringe »Downtime« durch schnelle Reinigbarkeit und Flexibilität in der Handhabung solcher Anlagen ebenso in das Konzept ein wie die Forderung nach einer guten Durchmischung und vorteilhaften Temperierung im Betrieb.

Schlüsselelement hierbei ist ein neuartiger Stack-Aufbau der Photobioreaktoren. Vergleicht man die Ausbeuten in diesen Systemen mit der landwirtschaftlichen Produktion, kann durch die extrem kompakte Bauweise auf wenigen Quadratmetern dieselbe Menge Biomasse produziert werden wie zuvor auf einem ganzen Hektar mit Sonnenlicht. Nutzt man für ein solches System zukünftig Strom aus erneuerbaren Energien, beispielsweise Photovoltaik, zeigt sich schon heute – je nach Produkt – ein wirtschaftlicher Betrieb. Das Projekt Phyt-O-mat stellt damit die Grundlage für eine weitere Verschiebung der Grenzen von Wirtschaftlichkeit und Machbarkeit in der Algenbiotechnologie dar.