Projekt 05620/01

Wasserstoffproduktion in hochzelldichten Rhodobacterkulturen

Projektdurchführung

Dr. Sabine Tramm-WernerTechnische Mikrobiologie
Ritterstr. 12 a
52072 Aachen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Seit langem ist bekannt, dass Purpurbakterien im Licht aus reduzierten C-Quellen Wasserstoff freisetzen. Im Vorhaben AZ 00905 der Deutschen Bundesstiftung Umwelt wurden erste Versuche unternommen, diesen Prozess auch technisch umzusetzen. Dabei wurde festgestellt, dass vor einer technischen Anwendung noch geklärt werden muss, wie die Standzeiten der Bakterienkulturen zu verlängern sind. Außerdem sollte genauer untersucht werden, wie sich die Bakteriendichte im Reaktor steigern lässt, und ob sich so ein positiver Effekt auf die Produktivität ergibt. Weiterhin sollte eine Methode entwi-ckelt werden, mit der die Sonneneinstrahlung mit und ohne Farbfilter quantifiziert werden kann.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie angewandten Methoden wurden im Wesentlichen im Vorhaben AZ 00905 beschrieben.
Es wurden Rhodobacter capsulatus-Kulturen verwendet. Als C-Quelle wurde Lactat eingesetzt und mit Glucose verglichen.
Ein Schwerpunkt der Arbeiten lag auf Versuchen, die dazu dienen sollten, die Standzeiten zu verlängern. Da festgestellt worden war, dass die Lichtfarbe einen nicht unwesentlichen Einfluss auf die Standzeit der Bakterien hat, wurde ein Schwerpunkt der Arbeiten darauf gelegt, die Auswirkungen verschiedener Farbfilter zu untersuchen. Zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energietechnik in Freiburg wurde hierzu ein Messgerät entwickelt.
Der zweite Schwerpunkt wurde auf die Untersuchungen zur Stickstoffversorgung gelegt.
Da aus der Literatur bekannt ist, dass die Art der Stickstoffquelle eine große Rolle bei der Produktivität spielt, wurde vermutet, dass auch bei den Standzeiten die Art der Stickstoffversorgung eine Rolle spielt.


Ergebnisse und Diskussion

In Laborversuchen wurde mit Folien und optischen Farbfiltern nachgewiesen, dass im Wesentlichen Wellenlängen >550 nm für die Wasserstoffproduktion verantwortlich sind, und dass kurzwelliges Licht sich besonders bei vergärbaren Kohlenstoffquellen schädlich auswirkt. Mit einem einfachen grünen Folienfilter konnte die spezifische Produktivität bei glucosehaltigem Substrat um 50 % gesteigert werden, obwohl durch die Plastikfolie auch photosyntheserelevante Wellenlängen im Rot- und Infrarotbereich abgefangen werden. Auf den geplanten Prozess im Plattenreaktor übertragen bedeutet dieses Ergebnis, dass kurzwelliges Licht durch Filter abgefangen oder für andere Energieumwandlungsprozesse zugänglich gemacht werden kann. Es wurde nachgewiesen, dass eine Zellanreicherung vor allen Dingen bei hohen Lichtintensitäten sinnvoll ist, um auch in kleinen Schichtdicken das Sonnenlicht weitgehend zu nutzen. Geplant war, die Flockulation der Zellen auszunutzen, um die Zellen im Reaktionsraum zu im-mobilisieren und durch einfache Zellrückhaltung anzureichern. Die Ergebnisse weisen aber darauf hin, dass die Flockulation im Hell- / Dunkelrhythmus als Zellrückhaltemethode wenig geeignet ist, da sich die Organismen im Dunkeln absetzen, wenn keine Wasserstoffbläschen aufsteigen und daher keine Strömung im Reaktor herrscht. Durch die gegenseitige Abschattung der Bakterienflocken beginnt die Wasserstoffproduktion im Licht nur schleppend, was zu einer verzögerten Suspendierung und zu hohen Produktionseinbußen führt. Hier müssen neue Möglichkeiten zur Immobilisierung gefunden werden. Es bietet sich besonders an, die Neigung zur Adhäsion der Zellen an Oberflächen auszunutzen. Eine wichtige Aufgabe bleibt die Verlängerung der Halbwertszeit der Mikroorganismen. Durch eine Verminderung der Stickstoffkonzentration im Zulauf konnte die Produktivität der Zellen zwar deutlich gesteigert und die Halbwertszeiten erhöht werden; für einen technischen Einsatz sind die Ergebnisse aber noch nicht ausreichend. Hier sollte unter Umständen auf andere Stämme zurückgegriffen werden, die laut Literatur Standzeiten von drei Monaten haben.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse der Arbeit wurden auf der Hannover-Messe 1995 vorgestellt.


Fazit

Abschließend kann gesagt werden, dass vor einer möglichen Umsetzung noch folgende Themen bearbeitet werden müssen: Die flächige Immobilisierung, die Verlängerung der Standzeit, die Verfügbarkeit von reduzierten C-Quellen für den Prozess, die Lichtsättigung und eine strömungstechnische Untersuchung zum Plattenreaktor. Bisher ist kein Argument bekannt, das gegen die Machbarkeit des Prozesses sprechen würde.