Karlsruher Institut für Technologie (KIT) setzt auf optimale Bedingungen für grünes Gold
Viele Urlauber finden sie unangenehm und störend, aber nicht nur für die Natur sind sie unglaublich nützlich: Algen. Sie stellen durch Photosynthese Sauerstoff her, sorgen bei Fischen für ausgezeichnete Omega 3-Werte, werden in der Lebensmittelindustrie für die Herstellung von Lebensmittelzusatzstoffen benötigt und bieten der Kosmetikindustrie interessante Inhaltsstoffe. Das große Potenzial von Algen hat das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) früh erkannt. Seit circa 20 Jahren liegt der Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe Bioverfahrenstechnik des Instituts für Bio- und Lebensmitteltechnik auf der Entwicklung der Photobiotechnologie und deren Prozessentwicklung. Die Hauptaufgabe von Dipl.-Ing. Christian Steinweg im 400 m2 großen Technikum ist die Entwicklung von Reaktoren für die Photobiotechnologie, speziell die Entwicklung von Reaktoren und Beleuchtungseinrichtungen für Algen.
Besondere Herausforderungen bei der Algenkultivierung
Mikroalgen sind im Vergleich zu anderen Lebewesen anspruchslos. Sie benötigen für ein optimales Wachstum Sonnenlicht als Energiequelle, Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie Wasser. Im Labor wird das Sonnenlicht durch perfekt auf die Bedürfnisse abgestimmte LED-Lichter ersetzt. Was zunächst banal klingt, bedarf bei genauer Betrachtung aber der Beachtung einer Vielzahl von Faktoren: So ist die Kultivierung von Algenbiomasse in Photobioreaktoren mit hohen Energie- und Produktionskosten verbunden. Zum einen muss das Laborlicht teilweise dicke Algenschichten durchdringen, damit die unteren Schichten ebenfalls mit Energie versorgt werden. Zum anderen darf das Licht nicht zu intensiv sein, da sonst die Gefahr besteht, dass die Algen Sonnenbrand bekommen und absterben. Hinzu kommt, dass die Begasung der Reaktoren mit Kohlendioxid je nach Form des Reaktors, einen großen Teil der Produktionskosten ausmacht. Folglich ist eine wirtschaftliche Produktion unter solchen Voraussetzungen schwierig. Vor diesem Hintergrund ist es entscheidend, dass die Algen im Bioreaktor nicht aufgrund mangelhafter Lebensbedingungen absterben. Dementsprechend müssen Parameter wie der Sauerstoff- und der pH-Wert kontinuierlich überprüft werden. „Optimale Bedingungen sind entscheidend, damit im Anschluss unterschiedlichste Produkte wie Farbpigmente, Nahrungsergänzungsmittel oder Kosmetika entstehen können“, unterstreicht Dipl.-Ing. Christian Steinweg vom Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik des KIT.
Algen produzieren Sauerstoff
Stimmen die Laborbedingungen mit den Lebensanforderungen von Algen überein, wachsen sie und produzieren viel Sauerstoff. Für eine bestmögliche Algenkultivierung ist es daher erforderlich, den Sauerstoffgehalt im Medium zu bestimmen. Dafür setzte das Institut bis 2009 elektrochemische Sauerstoffsensoren ein, die jedoch nicht überzeugten. Sie waren störanfällig, teuer und Verschleißteile mussten in kurzen Intervallen ausgetauscht werden. Auf der Suche nach neuen passenden Messverfahren nahmen die Algenforscher Kontakt zur Deutschen Niederlassung der Hamilton Bonaduz AG aus der Schweiz auf. Um zu überprüfen, ob sich die Produkte im Projektalltag, in dem auch zum Teil noch unerfahrene Studenten mit den Sensoren arbeiten, bewähren, wurde eine Testphase mit den Spezialisten vereinbart. In dieser kristallisierte sich schnell heraus, dass die optischen Sauerstoffsensoren von Hamilton deutlich störungsfreier arbeiten als die bislang eingesetzten Sensoren. Die Wahl fiel auf mehrere VisiFerm DO 225, da diese sich durch ihre Autoklavierbarkeit und einen geringen Wartungsaufwand auszeichnen. Die stabile Membran mit einer robusten Sensorkappe eignet sich ideal für ein Universitätslabor. Von Vorteil ist weiterhin, dass der Sensor vor Gebrauch nicht polarisiert werden muss, so dass ein schneller Einsatz mit stabilen Werten gewährleistet wird. Zudem findet der OxyFerm FDA als Arc-Variante am Institut Verwendung. Dieser Sensor überzeugt mit seiner Silikonmembran und schnellen Ansprechzeiten. „Auch bei diesem Sensor haben wir uns für das Arc System entschieden. Die Messdaten werden direkt am Computer visualisiert. Diese bedienerfreundliche Variante erleichtert uns die Arbeit und die Auswertung der Ergebnisse“, so Dipl.-Ing. Steinweg.
Polilyte Plus stellt das Überleben der Algen sicher
Nachdem die Verantwortlichen von den Messergebnissen der Sauerstoffsensoren überzeugt waren, wurden in einem zweiten Schritt pH-Sensoren von Hamilton eingeführt. Zuvor waren hier ebenfalls Sensoren von anderen Anbietern im Einsatz. Die Überprüfung des pH-Wertes spielt, wie bei allen Wachstumsprozessen, auch bei Algen eine entscheidende Rolle. Um diesen Wert konstant zu halten, wird dem Bioreaktor Kohlendioxid hinzugefügt. Verringert sich der pH-Wert, ist zu viel CO2 vorhanden, steigt er, benötigen die Algen mehr davon. „Der pH-Wert von Algen liegt bei 7, ist also neutral. Es ist wichtig, diesen Wert zu kennen und auf einem konstanten Niveau zu halten. Verändert er sich, muss je nach Wert mit einer Säure oder einer Lauge neutralisiert werden“, erklärt der Experte des KIT. Die Entscheidung fiel auf Polilyte Plus Sensoren mit der Single Pore® Technologie. Alle Sensoren aus dieser Familie verwenden den stabilen Referenzelektrolyt Polisolve Plus, der maßgeblich zur Langlebigkeit der Sensoren beiträgt. Die ausgewählte Polilyte Plus HF Arc findet im Labor mit unterschiedlichen Sensorlängen ihren Einsatz, um so ein breites Einsatzgebiet abzudecken. Bei einem zweiten Sensor setzt das Institut gleichfalls auf das Arc-Modell, wodurch ein Transmitter überflüssig ist. „Besonders bei den pH-Sensoren haben wir wenig Verschleiß. Die Wartung ist gleich Null, die Sensoren sind im Unterhalt günstig, die Kalibrierung verläuft sehr schnell und wird in der Sonde gespeichert“, freut sich der Diplom-Ingenieur. Dies ermöglicht eine Kalibrierung im Labor sowie das standortunabhängige Anbringen des Sensors in jedem Reaktor.
Dank Steuereinheit platzsparend
Exakt diese Sensorcharakteristik und die damit verbundene Unabhängigkeit, was den Standort angeht, sind wichtige Faktoren am KIT, denn das Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik hat einen horizontalen Photobioreaktor mit transparenter Zick-Zack-Struktur entwickelt. Diese Reaktoren werden sowohl im Labor als auch auf einer Freifläche des KIT eingesetzt. Demzufolge müssen die verwendeten Sensoren allen Umwelteinflüssen standhalten. „Die Sensoren von Hamilton haben wasserdichte Steckköpfe. Wir waren anfangs skeptisch, ob sie wirklich Wind und Wetter standhalten, aber diese Skepsis stellte sich als unbegründet heraus“, lobt der Universitätsmitarbeiter. Parallel messen die Sensoren im Labor an Tischfermentern, die ein Fassungsvermögen zwischen einem halben und zehn Litern haben. Aufgrund der Vielzahl an Arbeitsplätzen und Untersuchungsgegenständen ist der Platz im Labor rar und kompakte Lösungen sind gefragt. So sind die Arc-Sensoren direkt mit einer zentralen Steuerung verbunden, was zusätzliche Steuereinheiten am Tisch sowie Messverstärker überflüssig macht. „Dank der Verbindung der Sensoren via Modbus mit der Steuerung, können wir den neu gewonnenen Platz für weitere Versuchsaufbauten nutzen“, resümiert Dipl.-Ing. Christian Steinweg. Von Vorteil ist auch, dass keine Fremdkörper mehr auf den Tischen stehen, welche die Hygiene einschränken könnten. Die gute Zusammenarbeit zwischen Hamilton und dem KIT wird schlussendlich auch damit unterstrichen, dass Christian Steinweg angeboten hat, für ihn relevante Sensoren in der Beta-Version zu testen. Damit ermöglicht der Wissenschaftler Hamilton wertvolle Erkenntnisse aus der Praxis, die sich positiv auf die weitere Entwicklung der Sensoren auswirken.