Projekt 28173/01

Förderinitiative Aquakultur: Nährstoff-Recycling in landbasierten marinen Kreislaufanlagen durch die integrierte Produktion von Algenbiomasse (Laborphase)

Projektträger

Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (HTW) Fakultät für Ingenieurwissenschaften Aquakultur, Prozesstechnik
Goebenstr. 40
66117 Saarbrücken
Telefon: 0681/5867-416

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Aquakultur stellt sich als einzige Antwort auf den wachsenden Fischkonsum und als einzige Alternative zur stagnierenden Fischerei dar. Die Zukunftstechnologie der Aquakultur, und die hier mit dem Vorhaben verfolgte Innovation, ist der Fluid-Kreislauf. Fluid-Kreisläufe können ohne unmittelbare Verbindung zur Umwelt betrieben werden. Bis heute konnte durch verbesserte Verfahrenstechnik und durch eine optimierte Prozesssteuerung der Wasserverbrauch sehr stark vermindert werden. Moderne Fluid-Kreisläufe für die Produktion von Fischen haben einen Wasserbedarf von weniger als einem Prozent des Kreislaufvolumens pro Tag. Die Stoffströme gelöster und partikulärer Substanzen können weitgehend voneinander getrennt und gezielt einem Recycling zugeführt werden. Ein nächster, entscheidender Schritt ist die Integration photoautotropher Verfahren, um die gelösten Nährstoffe aus dem primären Fluid-Kreislauf in einem ressourcenschonenden Verfahren zurückzugewinnen und durch die Erzeugung von zusätzlicher Biomasse die Energiebilanz des gesamten Verfahrens zu verbessern. Die Anzucht in geschlossenen Systemen (Photobioreaktoren) ist technisch kompatibel mit einem Fluidkreislauf. Erste Versuche mit Mikroalgen-Photobioreaktoren waren grundsätzlich erfolgreich und sollten in dem Vorhaben in ein zuverlässiges Verfahren umgesetzt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Vorhaben gliederte sich in zwei große Abschnitte, eine Laborphase und eine Freilandphase. Das Vorhaben begann mit einer Laborphase zur Selektion geeigneter Mikroalgen. Parallel dazu wurde in der Völklinger Forschungshalle ein experimenteller Fluid-Kreislauf als Belastungsstufe aufgebaut und in Betrieb genommen. Notwendige Automatisierungsschritte wurden mit Hilfe von Studenten und Unterstützung durch die HTWdS im Rahmen des Projekts ARTESS realisiert. Es folgte eine Pilotphase in der Versuchshalle in Völklingen mit dem Betrieb von kommerziellen Flachplatten-Airlift-Photobioreaktoren. Die für den Betrieb notwendige Prozesswasser-Sterilfiltration wurde letztendlich mit Sachmittel- und Personalmitteln aus dem von der HTWdS geförderten Projekt AlgMem durchgeführt. Zwei Verfahren zur Biomasserückhaltung wurden erprobt, um eine optimale Biomasseproduktion und damit auch eine optimale Reinigung des Prozesswassers aus der Belastungsstufe zu gewährleisten. Ein energiesparendes Ernteverfahren für die im Prozesswasser flottierenden Mikroalgen wurde entwickelt, womit alle Verfahren für eine kontinuierliche Produktion von Mikroalgenbiomasse im Prozesswasser eines marinen Fischkreislaufs dargestellt waren. Durch den Wegfall der zweiten Phase aufgrund des begrenzten Fördermittelbudgets der DBU Ende 2011 konnte der experimentelle Betrieb der Photobioreaktoren, ein Flachbett-Photobioreaktor und zwei tubuläre Photobioreaktoren, im Freiland jedoch nicht mehr realisiert werden.


Ergebnisse und Diskussion

Aufgrund der Zellgeometrie und Robustheit wurde Nannochloropsis salina (N.s.) als geeignete Mikroalge selektiert. Bis zu einer Algenbiomasse von 0.3 g*dm-3 (Trockenmasse) zeigte N.s. keinerlei Wachstumsbegrenzungen durch die im Prozesswasser vorhandenen Nähr- und Inhaltsstoffe. Um optimale Raten bei der Entfernung der gelösten Algen-Nährstoffe zu erzielen, wurden jedoch höhere Zelldichten in den Photobioreaktoren angestrebt (s. u.).
Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten haben die grundlegende Machbarkeit des produktionsintegrierten Verfahrens gezeigt. Auf Basis der gelösten Exkretionsprodukte aus einem Fluid-Kreislauf für die Aquakultur mariner Fische können ausreichend Nährstoffe für eine intensive Produktion von Mikroalgen in einem sekundären Kreislauf bereitgestellt werden.
Unter aquakulturtypischen Bedingungen (Prozesswasser mit 100 mg N*dm-³) konnten im semikontinuierlichen Betrieb 3 g Mikroalgenbiomasse/dm-³ im Photobioreaktor erreicht werden. Eine Vervielfachung der Zelldichte ist mittels Zellretention möglich.
Zellretention ist bei Verfahren mit hohen Zelldichten erforderlich, um den Prozesswasserstrom zu erhöhen und damit die Versorgung mit Nährstoffen zu gewährleisten. Dabei muss die Algenbiomasse im Reaktor gehalten werden. Im Laborversuch konnte bereits gezeigt werden, dass in einer Nannochloropsis-Kultur eine Zellretention mit hydraulischen und pneumatischen Rückspülmöglichkeiten über mehrere Wochen verblockungsfrei betrieben werden kann.
Versuche zur Ernte der Algenbiomasse zeigten, dass die durch Ozon unterstützte Flotation ein energiesparendes sowie technisch geeignetes Verfahren ist, um Algen aus dem Prozess zu entfernen und die Biomasse zu ernten.
Der Betrieb von hochdichten FPA-Photobioreaktoren (>10 g*dm-3) im Batchverfahren wurde unter Laborbedingungen über mehrere Monate erprobt. Die Ergebnisse brachten wichtige Hinweise zum Be-triebsmodus von Langzeitkulturen von N.s. Insbesondere zeigten sie, dass neben den Nährstoffen Nitrat und Phosphat auch die Zufuhr von Spurenelementen von entscheidender Bedeutung für die Stabilität der Kulturen ist.
Eine erste wirtschaftliche Machbarkeitsanalyse zeigt, dass der hier verfolgte Lösungsweg in Verbindung mit einer Energiewandlung über Bioerdgasproduktion und einer Nutzung in einem Blockheizkraftwerk zu einer wirtschaftlichen Lösung führen kann.

Für eine abschließende Entwicklung wären jedoch ein möglichst ganzjähriger Betrieb der Photobioreaktoren sowie die Nutzung von natürlichem Sonnenlicht notwendig gewesen. Freilanduntersuchungen mit einem tubulären Photobioreaktor und einem Flachplatten-Airlift Photobioreaktor, sollten mit dem Knowhow der Projektpartner IGV GmbH und SUBITEC GmbH in der zweiten Projektphase 2012 durchgeführt und in einem Parallelprojekt vom Ökoinstitut in Freiburg hinsichtlich der Nachhaltigkeit bewertet werden. Durch den budgedbedingten Wegfall der zweiten Projektphase war die Bearbeitung dieser zentral wichtigen Aspekte nicht mehr möglich.

Aus Sicht der HTWdS waren die umfangreichen Vorarbeiten sowie die zusätzlichen Investitionen der HTWdS, die getätigt wurden, um den Projekterfolg zu garantieren, durch den Abbruch der Förderung nur schwer zu rechtfertigen. Es war nicht möglich, die einzelnen entwickelten Verfahren konzertiert zu untersuchen und im Zusammenspiel zu optimieren.

Die Ergebnisse aus dem ersten Projektförderzeitraum zeigten die technische als auch wirtschaftliche Machbarkeit auf. Die Einbindung in die strategische Initiative EnALGAE der EU, für die die Projektergebnisse von großer Wichtigkeit sind, weißt darüber hinaus auf die Bedeutung des Projektes für eine nachhaltige Entwicklung im Energiesektor hin. Ein erfolgreich verlaufendes Umweltprojekt wurde abgebrochen, das nicht nur die Nachhaltigkeit von Aquakulturen hätte deutlich verbessern können, sondern Wege aufzeigt, Stoff- und Energieströme in Kreisläufen effizient zu nutzen.