EVEK

Einige Bereiche der erdölbasierten Industrie, wie die Herstellung von Lacken, Farben, Gummi oder anderer Feinchemikalien, werden trotz alternativer Ausgangsmaterialien und Verfahren über weitere Jahre auf einen Anteil an Erdöl angewiesen sein. Mikroalgen, die unter Nutzung des Treibhausgases CO2 erdölähnliche Lipide produzieren, können einen Beitrag zur Reduzierung fossiler Rohstoffe leisten. Ihr Wachstum verläuft schnell und kann in Photobioreaktoren nachhaltig und ohne Nutzung von Ackerflächen erfolgen. Trotz intensiver Forschungen verhindern bisher hohe Produktionskosten eine wirtschaftliche Ölgewinnung aus Algen. Einen Lösungsansatz bietet die in verschiedenen Rassen auftretende Grünalge Botryococcus braunii, die Erdöl-ähnliche Kohlenwasserstoff-Öle (KW-Öle) synthetisiert und diese während ihres Biomassewachstums aus den Zellen sekretiert. Die Ölfraktionen enthalten je nach Stamm bis zu 86 % der Biomasse langkettige Kohlenwasserstoffe (Brown et al. 1969), die direkt in der chemischen Industrie verarbeitet werden können. Für eine kontinuierliche Abtrennung der sekretierten KW-Öle ohne Zerstörung der Algenzellen eignet sich das in situ-(Milking)-Verfahren, mit dem die Ölextraktion bei paralleler Kultivierung möglich ist. Das hat den großen Vorteil, dass die Algen unter CO2-Verwertung kontinuierlich wachsen, Öl ausscheiden und regelmäßig „gemolken“ werden können. Bei dieser in situ-Extraktion, für die an der Hochschule ein Gerätesystem entwickelt und patentiert wurde (DE 10 2014 005 372), erfolgen Algenkultivierung und Ölgewinnung in einem Schritt. Im Vergleich zur etablierten Gewinnung intrazellulärer Öle entfallen mehrere kostenintensive Aufarbeitungsschritte (Ernte, Trocknung, Zellaufschluss).

Ziel des Vorhabens EVEK war die Übertragung des im Labormaßstab entwickelten Milking-Prozesses in einen größeren Maßstab. Durch Kopplung der technisch erprobten Flat-Panel-Airliftreaktoren (FPA) der Firma Subitec GmbH mit dem patentierten in situ-Extraktionsverfahren der Hochschule Anhalt sollte das Verfahren zur Gewinnung langkettiger extrazellulärer Kohlenwasserstoffe (KW-Öle) aus der Grünalge Botryococcus braunii vom Labor (3 L Blasensäulenreaktoren) über 6 L FPA-Reaktoren auf 25 L FPA-Reaktoren in den Technikumsmaßstab (vier FPA-Reaktoren mit je 25 L) überführt werden. Durch Einsparung der kostenintensiven Aufarbeitungsschritte Ernte, Entwässerung und Zellaufschluss wurde eine Kostensenkung erwartet.

Hierfür standen folgende wissenschaftliche und technische Arbeitsziele im Fokus:

• Kopplung der FPA- und in situ-Technologie zur Extraktion von Lipiden/Kohlenwasserstoffen aus Mikroalgen während der Kultivierung
• Optimierung der Kultivierungsbedingungen hinsichtlich Wachstum und Produktbildung (Einfluss von Licht, Temperatur, Nährstoffen)
• Optimierung der Extraktionsbedingungen (Art des Lösungsmittels, Verweilzeit im Lösungsmittel, Vitalität der Zellen nach Lösungsmittelkontakt)
• Definition der Randbedingungen zur Langzeitdurchführbarkeit des Koppelprozesses (Wachstum und Vitalität der Algenkultur, morphologische Veränderungen, Kohlenwasserstoffspektrum)
• Skalierung in den technischen Maßstab

• Ermittlung der optimalen Extraktionszeit und des Partikeldurchmessers für die Übertragung auf den technischen Maßstab
• Durchführung einer 45-tägigen Langzeitextraktion unter optimierten Bedingungen
• Ermittlung einer Extraktionszahl, welche eine Übertragung unabhängig vom Kultivierungssystem ermöglicht
• Dimensionierung und Beschaffung der Komponenten für den Versuchstand im technischen Maßstab
• Aufbau des Versuchstandes im technischen Maßstab, Kopplung der Komponenten
• Erfolgreiche Kultivierung des Stammes Showa in 28 L FPA-Reaktoren
• Ermittlung der optimalen Lichtintensität und Biomassekonzentration für in situ-Extraktion
• Durchführung des Verfahrens nach der klassischen Prozesskette (Kultivierung, Ernte, Trocknung, Extraktion) zum Vergleich
• Testbetrieb mit Wasserfahrten und undefinierten in situ-Extraktionen
• Durchführung von in situ-Extraktionen unter optimierter Biomassekonzentration, Lichtintensität und Extraktionszahl
• Rückgewinnung der eingesetzten Lösungsmittel
• Wiedereinsatz der rückgewonnenen Lösungsmittel im täglichen in situ-Extraktionsbetrieb
• Ermittlung von Energieverbrauch und Lösungsmittelverlust
• Ermittlung energetischer Kennzahlen für den in situ-Extraktionsprozess
• Vergleich mit klassischer Prozessführung