Mikroalgen-Anbau und Biomasse-Quantifizierung in einem Bench-Scale Photobioreaktor mit ätzenden Rauchgasen

Photobioreaktoren eignen sich für kontrollierte Experimente und den Anbau von reineren Mikroalgenprodukten, als dies durch offene Teiche erreicht werden kann. Der Mikroalgenanbau in Photobioreaktoren im Bankmaßstab unterstützt die Entwicklung von Grundkenntnissen, die für die Prozessskalierung verwendet werden können. Leichte Veränderungen der Umweltbedingungen können mikrobiologische Experimente erheblich verändern und die Ergebnisse verwirren¹. Ein steriler Prozess mit Temperatur-, pH- und Gasspar-Kontrolle ist vorteilhaft für die Untersuchung von Mikroalgeneigenschaften und -leistung unter unterschiedlichen Bedingungen. Darüber hinaus kann die Kontrolle der Eingangsgaskonzentrationen, der Temperatur, der Scherkraft durch Mischen und des mittleren pH-Werts verschiedene Arten unterstützen, die ansonsten schwierig zu kultivieren sind. Photobioreaktoren können als Chargenprozess mit kontinuierlicher Gaszuführung und Sparging oder als Chemostat-Durchflusssystem mit kontinuierlicher Gaszuführung und Sparging sowie in- und abwasserbasierten Nährstoffeinträgen betrieben werden. Hier zeigen wir den Chargenprozess mit kontinuierlicher Gaszuführung und Sparging.

Der Einsatz von Photobioreaktoren bewältigt mehrere Herausforderungen beim Anbau und der Produktion von Mikroalgen. Das Feld kämpft in der Regel mit Bedenken der Kontamination durch andere Mikroorganismen, einer effizienten Substratnutzung (die besonders bei DER_{CO2-Minderung} oder Abwasserbehandlung wichtig ist)², pH-Kontrolle, Beleuchtungsvariabilität und Biomasseproduktivität³. Photobioreaktoren ermöglichen es Forschern, eine breite Palette von Phototrophen in eng kontrollierten Batch-Systemen zu untersuchen, in denen selbst langsam wachsende Arten vor Raubtieren oder konkurrierenden Mikroorganismen geschützt sind⁴. Diese Chargensysteme sind auch besser geeignet, höhere_{CO2-Nutzungsraten} und Biomasseproduktivität zu ermöglichen, da es sich um geschlossene Systeme handelt, die eher im Gleichgewicht mit den gelieferten Gasen stehen. Die Photobioreaktor-Technologie bietet auch eine pH-Kontrolle, deren Fehlen in früheren Studien eine hohe Biomasseproduktivität behindert hat⁵. Auf der Bankskala ist das Kontrollniveau der Photobioreaktoren für die Forscher von Vorteil. In größeren industriellen Maßstäben können Photobioreaktoren verwendet werden, um die Reinheit kommerzieller Bioprodukte aufrechtzuerhalten und die Produktionseffizienz für nutrazeutische, kosmetische, Lebens- oder Futtermittelanwendungen zu verbessern⁶.

Mikroalgen sind von großem Interesse für die Biosequestrierung von_CO2, da sie_CO2 schnell als Biomassekohlenstoff fixieren können. Die meisten anthropogenen_CO2-Quellen sind jedoch je nach Brennstoffquelle des Verbrennungsprozesses mit anderen korrosiven und toxischen Gasen oder Verunreinigungen (NO_x, SO_x, CO, Hg) kontaminiert. Das wachsende Interesse an einer nachhaltigen CO2-Sequestrierung hat die Entwicklung von Photobioreaktor-Technologien zur Behandlung von_CO2-reichenEmissionen, wie z. B. aus Kohlekraftwerken, ausgelöst (Tabelle 1). Leider besteht die Gefahr einer Exposition von Mensch und Umwelt gegenüber den korrosiven und toxischen Verunreinigungen während der Forschungs- und Scale-up-Prozesse. Daher ist die Beschreibung der sicheren Montage und des Betriebs von Bioreaktoren mit korrosiven Gasen notwendig und lehrreich.

Diese Methode dient für den Einsatz eines 2 L-Bench-Scale-Photobioreaktors für das Wachstum von Mikroalgen unter sorgfältig kontrollierten experimentellen Bedingungen. Das Protokoll beschreibt die Mikroalgenlagerung, inokulumische Vorbereitung und Photobioreaktor-Einrichtung und Sterilisation. Neben dem Grundbetrieb werden in dieser Arbeit Messungen der Mikroalgenbiomasse und Biomasseproduktivitätsberechnungen sowie die Anpassung der Anlagen für den Mikroalgenanbau mit korrosiven Gasen beschrieben. Das unten beschriebene Protokoll ist für Forscher geeignet, die eine größere experimentelle Kontrolle ausüben, die wachstumsbedingungen von Mikroalgen optimieren oder eine Reihe phototropher Mikroben axenisch kulturieren möchten. Dieses Verfahren beschreibt keine geeigneten Materialien für den Anbau von Mikroben, die brennbare Gase erzeugen oder verbrauchen (z. B. CH₄, H₂usw.) ⁷.