Projekt 00905/01

Entwicklung eines Biokollektors – Photobiologische Wasserstoffproduktion mit flockenden Mikroorganismen u. immobilisierten Glycosidhydrolasen

Projektdurchführung

Fa. Technische Mikrobiologie
Finkenhag 9
52074 Aachen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Lokale Umweltbelastungen, der CO2-Eintrag in die Atmosphäre und die endlichen Ressourcen bei gleichzeitiger Zunahme der Weltbevölkerung erzwingen den Übergang zu einer umweltverträglicheren Energieversorgung. Auch in Zukunft wird ein speicher- und transportierbarer Energiespeicher benötigt. Hierfür ist Wasserstoff optimal. Seit langem ist bekannt, dass Purpurbakterien im Licht aus reduzierten C-Quellen Wasserstoff freisetzen. Allerdings existierte bisher kein Verfahren, durch welches dieser lichtabhängige Prozess technisch umzusetzen wäre. Außerdem gibt es keine Aussagen über eine kostengünstige C-Versorgung des Prozesses. Ziel des Projekts ist daher, einen technisch machbaren Prozess zu finden und dabei Glukose als Zelluloseabbauprodukt als Substrat einzusetzen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenPurpurbakterien aus der Deutschen Stammsammlung für Mikroorganismen sollten in einem plattenförmigen Reaktor im Freiland eingesetzt werden. Dazu wurde ein neuer Reaktor konzipiert, der im Gegensatz zu bekannten Modellen keine zusätzliche Energie für den Betrieb eines Rührers oder einer Umwälzpumpe benötigte. Der Reaktor wurde plattenförmig gebaut und hatte in der Mitte eine Trennscheibe. Im schräg gegen Süden aufgestellten Reaktor sollten die aufsteigenden Gasbläschen und die in der Sonne ansteigende Temperatur für eine ausreichende Strömung sorgen. Es standen 4 Stämme zur Verfügung, die bezüglich Produktivität und Stabilität mit Glukose als Substrat noch wenig untersucht wurden. Diese Stämme sollten auf ihre Wasserstoffproduktivität im Labor und im Freiland mit Glukose als Substrat hin untersucht werden. Glukose sollte aus dem Grund als Substrat getestet werden, da aus Vorarbeiten be-kannt war, dass nachwachsende Rohstoffe, wie Stärke oder Zellulose, durch immobilisierte Glycosid-hydrolasen simultan im gleichen Fermenter zu Glukose abgebaut werden können. Dadurch, dass die Glukose von den Bakterien sofort verbraucht wird, entfällt die sonst bei diesem Prozess hinderliche Endprodukthemmung.
Es sollte untersucht werden, ob die Purpurbakterien im Reaktor angereichert werden können und ob dies einen Vorteil für die Wasserstoffproduktion ergibt. Dazu sollten Einflussfaktoren, wie Lichtstärke, Lichtzusammensetzung und Temperatur mit berücksichtigt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Es gelang, einen Plattenreaktor zu konzipieren und zu bauen, in welchem mit Purpurbakterien im Sonnenlicht Wasserstoff produziert werden konnte, ohne dass zusätzliche Energie für Pumpen benötigt wurde.
Aufgrund der problemlosen Flockung und der relativ guten Produktivitäten wurde Rhodobacter capsula-tus DSM 155 ausgewählt. Allerdings führte die Verwendung von Glukose besonders im Freiland zum Ausbleichen der Kulturen. Es konnte gezeigt werden, dass Rhodobacter Glukose unter verschiedenen Bedingungen (lange Dunkelperioden, hohe Lichtintensitäten) sehr schnell zu Säuren vergärt. Die pH-Absenkung führt ihrerseits wieder zu einem irreversiblen Ausbleichen der Kulturen. Auffällig war, dass der Ausbleichprozess unter Laborbedingungen im Glühlampenlicht wesentlich langsamer erfolgte. Es wurden daher im Freiland verschiedene Farbfilter eingesetzt. Besonders erfolgreich war die Verwendung grüner Folienfilter, die zu deutlichen Verbesserungen der Produktivität und der Standzeiten im Freiland führten. Es konnten 800 ml Wasserstoff pro Stunde und m² im Freiland produziert werden.
Wesentlich günstiger stellte sich die Verwertung von Lactat als C-Quelle dar: Der Ausbeute-Koeffizient wurde größer, die Produktivität stieg auf 1,6 Liter pro m² und Stunde, der pH-Wert blieb über lange Zeit stabil, auch in Dunkelphasen und bei Sonneneinstrahlung von 1000 W/m².
Um das Verfahren wirtschaftlich einsetzen zu können, ist es erforderlich, eine praktikable Lösung für die Ernährung der Bakterien zu finden. Möglicherweise können die durch Glukose verursachten Probleme durch Einführung eines Zulaufverfahrens behoben werden. Da sich angedeutet hat, dass Grünfilter posi-tive Auswirkungen haben, liegt es nahe, in Zukunft mit einem Algen-Bakterien-Verbund zu arbeiten. Dabei sollen grüne Algen, die in einem separaten Plattenreaktor immobilisiert sind, das Substrat (z.B. organische Säuren) für die Purpurbakterien ausscheiden. Durch den Austausch der Lösungen zwischen Purpurbakterien- und Algenreaktor könnten die Bakterien mit Substrat und die Algen mit dem von den Bakterien ausgeschiedenen Kohlendioxid versorgt werden.
Mit Milchsäure als Substrat wurden wesentlich bessere Ergebnisse erzielt: Der pH-Wert bleibt auch über längere Zeit stabil, und somit werden Langzeit-Versuche möglich. Bei kontinuierlichen Langzeit-Versuchen stellte sich heraus, dass die Kulturen über einen längeren Zeitraum hinweg wachsen und ca. 10 Tage lang Wasserstoff produzieren.
In der vorgesehenen Zeit konnten noch keine Aussagen zu dem Effekt gemacht werden, den eine mögliche Anreicherung haben würde. Es konnte lediglich gezeigt werden, dass es möglich ist, die flockenden Zellen mit einfachen baulichen Maßnahmen im Reaktor zurückzuhalten und die Biomasse so um den Faktor 3 anzureichern.


Fazit

Um die grundsätzliche Umsetzbarkeit der biosolaren Wasserstoffproduktion in ein Verfahren abschließend beurteilen zu können, fehlen noch wichtige Informationen. Hierzu sei auf das Vorhaben Wasserstoffproduktion in hochzelldichten Rhodobacterkulturen (AZ 05620) verwiesen.