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leer Bluedot   Photobiologische Wasserstoffproduktion mit der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii unter verfahrenstechnischen Aspekten
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Stephanie Stute
Dipl.-Biol., Dr.-Ing.
Studium: Biologie, FAU Erlangen-Nürnberg
Tätigkeit: Gruppenleiterin; Promotion abgeschlossen


Im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit wird vor dem Hintergrund der Herstellung von umweltfreundlichen und nachhaltigen Energieträgern die photobiologische Wasserstoffproduktion mit der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii unter Nutzung der frei verfügbaren Sonnenenergie prinzipiell unter verfahrenstechnischen und wirtschaftlichen Aspekten untersucht. Neben der Steigerung des photochemischen Wirkungsgrades stellt die Algenkultivierung und Wasserstoffproduktion unter Nutzung der frei verfügbaren Sonnenenergie das Ziel dar. Es konnte gezeigt werden, dass eine ganzjährige Kultivierung von C. reinhardtii in den mitteleuropäischen Breiten unter Freilandbedingungen und Nutzung von z. B. industrieller Abwärme möglich ist. In geschlossenen 1 L Photobioreaktoren vom Typ Photobioreaktor-Screening-Modul konnten sowohl unter kontrollierten Laborbedingungen bei Dauerlicht (200 µmolm-2s-1) und bei Bestrahlungsintensitäten entsprechend eines idealisierten Sommertages, als auch im Freiland (bis zu 2000 µmolm-2s-1) vergleichbare Zelldichten in der Größenordnung von 1,2107 Zellen ml-1 bis 1,7107 Zellen ml-1 erzielt werden. Die Verwendung von 10 % CO2 gemäß dem CO2 Gehalt von Verbrennungsabgasen führte bei Dauerlicht im Vergleich zur Referenz mit 3 % CO2 zu einer Verdoppelung der Zelldichte auf 4,2107 Zellen ml-1. Eine signifikante Steigerung der Zelldichte bei Simulation des Lichtprofils entsprechend eines Sommertages konnte jedoch nicht erreicht werden. Kultivierung unter dem Lichtprofil eines Wintertages bei 25 °C reduzierte das Zellwachstum gegenüber der Sommersimulation auf 54 %. In offenen 30-L-Freilandbecken konnten während der Sommermonate bei photoheterotropher Kulturführung mit 0,26107 Zellen ml-1 maximal 20 % der im geschlossenen Photobioreaktor erzielten Zelldichten erreicht werden. Die Induktion der Wasserstoffproduktion durch Sulfatmangel wurde im Labormaßstab gemäß dem allgemeinen Stand der Technik durch Medienaustausch mittels Zentrifugation durchgeführt. Der alternativ etablierte Medienaustausch über tangentiale Querstrom-Filtration ermöglichte eine erfolgreiche Wasserstoffproduktion, allerdings mit geringeren Wasserstoffmengen. Bei Versuchen, den Sulfatmangel über wachstumsbedingte Eigenreduktion einzustellen, konnte unter den gewählten Parameter kein Wasserstoff produziert werden. Die Wasserstoffproduktion wurde in zwei Photobioreaktor-Designs etabliert und war generell in dem vereinfachten Reaktortyp Standflasche höher als in den zum Scale-up geeigneten Photobioreaktor-Screening-Modulen. Als Lichtoptimum für eine maximale zellspezifische Wasserstoffproduktion und -ausbeute wurde für den Wasserstoff-Photobioreaktortyp Standflasche eine Bestrahlungsstärke von 200 µmolm-2s-1 bei einer optimalen Zelldichte von 7,510 Zellen ml-1 und für die Wasserstoff-Photobioreaktoren basierend auf den Photobioreaktor-Screening-Modulen eine Bestrahlungsstärke von 100 µmolm-2s-1 bei einer optimalen Zelldichte von 7,9106 Zellen ml-1 ermittelt. Bei allen Wasserstoffproduktionsläufen im Wasserstoff-Photobioreaktortyp Standflasche zeigte sich eine geringe Varianz von 12 % zwischen den Mehrfachansätzen einer Versuchsreihe, aber trotz standardisierter Versuchsbedingungen eine breite Streuung von 72 % zwischen vergleichbaren, aber unabhängig durchgeführten Versuchsreihen. Die maximale Wasserstoffproduktion wurde im Wasserstoff-Photobioreaktortyp Standflasche mit 130 mlL-1 H2 bei einseitiger Lichtbestrahlung mit 200 µmolm-2s-1 über 100 Stunden (inkl. Adaptionszeit) erzielt. Die erzielte Raum-Zeit-Ausbeute belief sich auf 32 ml H2L-1d-1. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Algenzellen aus laufender Wasserstoffproduktion regeneriert werden können und in einem zweiten Produktionslauf erneut vergleichbare Wasserstoffausbeuten erreichen. Die Verwendung der unter Freiland- oder simulierten Freiland- bzw. Starklichtbedingungen gewachsenen Zellen resultierte generell in deutlich niedrigeren Wasserstoffausbeuten als die Verwendung von Zellen, die bei geringen Bestrahlungsstärken unter Dauerlicht angezogen wurden. Die maximal erzielte Wasserstoffausbeute der unter Freiland- bzw. simulierten Freilandbedingungen gewachsenen Kulturen lag bei 8 mlL-1. Da in dem skalierbaren Wasserstoff-Photobioreaktortyp Photobioreaktor-Screening-Modul bereits Bestrahlungsstärken von 300 µmolm-2s-1 zu einer Inhibierung der Wasserstoffproduktion führten, wurde von Versuchen unter Tageslichtverlauf mit maximalen Bestrahlungsstärken von 2000 µmolm-2s-1 bzw. Versuchen im Freiland abgesehen. Um die photochemische Effizienz von C. reinhardtii zu erhöhen, wurde versucht, die Hydrogenase zu überexprimieren. Trotz erfolgreicher Integration des zusätzlichen artspezifischen Hydrogenase-Gens konnte das rekombinante Protein mittels Immunfärbung nicht nachgewiesen und keine signifikante Steigerung der Wasserstoffproduktion festgestellt werden..

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Schwerpunkte:

  • Optimierung der photochemischen Effizienz über Nutzung spezifischer Kultivierungsstrategien
  • Steigerung der Wasserstoff-Bildung durch gentechnische Modifizierungen am wasserstoffproduzierenden Stoffwechselweg sowie dem Stoffwechselweg zugrunde liegenden Enzym Hydrogenase und
  • Kultivierungsoptimierung sowie Entwicklung eines gesamtheitlichen Prozessablaufes in Photobioreaktorsystemen unter verfahrenstechnischen und wirtschaftlichen Aspekten.
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