Projekt 00905/01

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

ProjekttrÀger

Fa. Technische Mikrobiologie
Finkenhag 9
52074 AachenZielsetzung und Anlass des Vorhabens Lokale Umweltbelastungen, der CO2-Eintrag in die AtmosphĂ€re und die endlichen Ressourcen bei gleichzeitiger Zunahme der Weltbevölkerung erzwingen den Übergang zu einer umweltvertrĂ€glicheren Energieversorgung. Auch in Zukunft wird ein speicher- und transportierbarer Energiespeicher benötigt. HierfĂŒr 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 lichtabhĂ€ngige Prozess technisch umzusetzen wĂ€re. Außerdem gibt es keine Aussagen ĂŒber eine kostengĂŒnstige 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 fĂŒr Mikroorganismen sollten in einem plattenförmigen Reaktor im Freiland eingesetzt werden. Dazu wurde ein neuer Reaktor konzipiert, der im Gegensatz zu bekannten Modellen keine zusĂ€tzliche Energie fĂŒr den Betrieb eines RĂŒhrers oder einer UmwĂ€lzpumpe benötigte. Der Reaktor wurde plattenförmig gebaut und hatte in der Mitte eine Trennscheibe. Im schrĂ€g gegen SĂŒden aufgestellten Reaktor sollten die aufsteigenden GasblĂ€schen und die in der Sonne ansteigende Temperatur fĂŒr eine ausreichende Strömung sorgen. Es standen 4 StĂ€mme zur VerfĂŒgung, die bezĂŒglich ProduktivitĂ€t und StabilitĂ€t mit Glukose als Substrat noch wenig untersucht wurden. Diese StĂ€mme sollten auf ihre WasserstoffproduktivitĂ€t 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 StĂ€rke 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, entfĂ€llt die sonst bei diesem Prozess hinderliche Endprodukthemmung. Es sollte untersucht werden, ob die Purpurbakterien im Reaktor angereichert werden können und ob dies einen Vorteil fĂŒr die Wasserstoffproduktion ergibt. Dazu sollten Einflussfaktoren, wie LichtstĂ€rke, Lichtzusammensetzung und Temperatur mit berĂŒcksichtigt 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 zusĂ€tzliche Energie fĂŒr Pumpen benötigt wurde. Aufgrund der problemlosen Flockung und der relativ guten ProduktivitĂ€ten wurde Rhodobacter capsula-tus DSM 155 ausgewĂ€hlt. Allerdings fĂŒhrte die Verwendung von Glukose besonders im Freiland zum Ausbleichen der Kulturen. Es konnte gezeigt werden, dass Rhodobacter Glukose unter verschiedenen Bedingungen (lange Dunkelperioden, hohe LichtintensitĂ€ten) sehr schnell zu SĂ€uren vergĂ€rt. Die pH-Absenkung fĂŒhrt ihrerseits wieder zu einem irreversiblen Ausbleichen der Kulturen. AuffĂ€llig war, dass der Ausbleichprozess unter Laborbedingungen im GlĂŒhlampenlicht wesentlich langsamer erfolgte. Es wurden daher im Freiland verschiedene Farbfilter eingesetzt. Besonders erfolgreich war die Verwendung grĂŒner Folienfilter, die zu deutlichen Verbesserungen der ProduktivitĂ€t und der Standzeiten im Freiland fĂŒhrten. Es konnten 800 ml Wasserstoff pro Stunde und mÂČ im Freiland produziert werden. Wesentlich gĂŒnstiger stellte sich die Verwertung von Lactat als C-Quelle dar: Der Ausbeute-Koeffizient wurde grĂ¶ĂŸer, die ProduktivitĂ€t stieg auf 1,6 Liter pro mÂČ und Stunde, der pH-Wert blieb ĂŒber lange Zeit stabil, auch in Dunkelphasen und bei Sonneneinstrahlung von 1000 W/mÂČ. Um das Verfahren wirtschaftlich einsetzen zu können, ist es erforderlich, eine praktikable Lösung fĂŒr die ErnĂ€hrung der Bakterien zu finden. Möglicherweise können die durch Glukose verursachten Probleme durch EinfĂŒhrung eines Zulaufverfahrens behoben werden. Da sich angedeutet hat, dass GrĂŒnfilter posi-tive Auswirkungen haben, liegt es nahe, in Zukunft mit einem Algen-Bakterien-Verbund zu arbeiten. Dabei sollen grĂŒne Algen, die in einem separaten Plattenreaktor immobilisiert sind, das Substrat (z.B. organische SĂ€uren) fĂŒr 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 MilchsĂ€ure als Substrat wurden wesentlich bessere Ergebnisse erzielt: Der pH-Wert bleibt auch ĂŒber lĂ€ngere Zeit stabil, und somit werden Langzeit-Versuche möglich. Bei kontinuierlichen Langzeit-Versuchen stellte sich heraus, dass die Kulturen ĂŒber einen lĂ€ngeren 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 wĂŒrde. Es konnte lediglich gezeigt werden, dass es möglich ist, die flockenden Zellen mit einfachen baulichen Maßnahmen im Reaktor zurĂŒckzuhalten und die Biomasse so um den Faktor 3 anzureichern. Fazit Um die grundsĂ€tzliche 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.

Übersicht

Telefon

0241/173706

Telefon

0241/173706

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Fördersumme

96.838,68 €

Förderzeitraum

01.10.1992 - 20.09.1999