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Algal Biorefineries
(2015)
In diesem Tandamvortrag wird im ersten Teil die Gewinnung eines an Neutrallipiden reichen Algenextraktes sowie im zweiten Teil dessen Umwandlung in Kerosin beschrieben.
Das Hauptziel im Teilprojekt „Downstream – Processing“ des Projektes AUFWIND war Entwicklung eines kostengünstigen Verfahrens zur Gewinnung der Lipide unter Berücksichtigung der Erfordernisse der Kraftstoffproduktion, wie z.B. geringer Phosphorgehalt. Ausgangspunkt war die am FZJ produzierte und auf ca. 25 Ma% TS entwässerte Algenbiomasse. Im Ergebnis konnte ein zweistufiges Verfahren, dass ohne Zellaufschluss in der ersten Stufe mit dem polaren Lösemittel Ethanol bei Raumtemperatur und in der zweiten Stufe mit dem unpolaren Lösemittel Hexan nahe Siedetemperatur arbeitet, abgeleitet werden. Es können ca. 75 Ma% der Neutrallipide gewonnen werden und die ca. 80 Ma% des Extraktes beinhalten.
There is an urgent need to develop technologies for removing CO2 from the atmosphere to combat climate change. Microalgae and cyanobacteria, such as Arthrospira platensis (AP), have shown promise due to their high photoautotrophic biomass production. Conventional AP culture media are supplemented with high concentrations of NaHCO3 since AP utilizes as a carbon source. These culture conditions result in significant amounts of CO2 escaping into the atmosphere, instead of being sequestered during cultivation. Here, we investigated whether ambient air (0.042% CO2) can be used for growing AP in a culture medium lacking a fossil-based carbon source. AP was cultured in 2 L glass bioreactors containing: (1) Zarrouk medium with 16.8 g/L NaHCO3 and aeration with 0.236 vvm air with 2% CO2 (“NaHCO3/CO2-based”) to compensate carbon loss due to CO2 outgassing, and (2) Zarrouk medium without NaHCO3 and a gas flow with ambient air (0.926 vvm) as the only carbon source (“air-based”). The air-based production resulted in the biofixation of 3.78 gCO2/L during the linear growth phase. With NaHCO3/CO2-based production, a comparable amount of 3.42 gCO2/L was obtained while 659.12 g of CO2 was released into the atmosphere. Total protein, phycocyanin, chlorophyll-a, and carotenoids were present in similar or increased amounts in AP produced by the air-based method. We concluded that cultivation of AP with Zarrouk medium lacking NaHCO3 but using ambient air with atmospheric CO2 as the only carbon source is possible without reducing productivity. These results improve our understanding of how atmospheric CO2 can be reduced by culturing AP.
The cyanobacterium Arthrospira platensis is a well-known source of bioactive substances. Growth and the generation of bioactive ingredients of Arthrospira platensis depend mainly on the quantity of light in a controlled environment. Photoinhibition is a time, nutrient, and light intensity-dependent decrease in photosynthetic efficiency. However, too strong illumination can induce two harmful effects: (1) photoinhibition as a reduction in photosynthetic rate and (2) photooxidation which can have lethal effects on the cells, and which can lead to total loss of the culture. The results of this microscopical study demonstrate, that under the procedures described and very high photon flux den-sities, not only a decrease in the photosynthetic efficiency but beyond, also destruction of Arthrospira platensis can occur.
A vertical flat-type bioreactor consisting of transparent polyethylene (food safe) was constructed, which is characterized by a flexible design and allows the adjustment of a light path of 1 cm – 8.5 cm and a working volume of 1.5 l – 4 l. To characterize the performance of the bioreactor, cultivation experiments were performed with the cyanobacterium Arthrospira platensis (AP). The growth was assessed continuously by monitoring optical density and intermittently by measuring the dry weight of the AP biomass. An on-line measurement technique for estimating biomass production rate in a photosynthetic microalgae culture was developed. The oxygen produced by AP in the culture medium was flushed out sparging using a mixture of air and CO2 (1%). Factors which might influence the AP growth were monitored: pH, temperature, oxygen concentration and the filling level were corrected automatically to compensate evaporation losses. As an example, the huge influence of the light intensity on the AP growth was tested. The increase of the photon flux density of 15 to 1200μmol/(l · d) led to a 22-fold increase of the productivity and a 3.1-fold shorter doubling time. Using an online measurement technique - together with the control of the growth process via a wireless local area network (WLAN) router and virtual private network - allows monitoring the growth of Arthrospira platensis remotely.
Mikroalgen haben im Vergleich zu Landpflanzen eine wesentlich höhere Biomasseproduktivität. Als photoautotrophe Organismen assimilieren sie in der Wachstumsphase Kohlendioxid und können auf landwirtschaftlich schlecht bzw. nicht nutzbaren Flächen kultiviert werden. Dies macht Mikroalgen als nachwachsenden Rohstoff sowohl für eine nachhaltige Energiewirtschaft als auch für die Produktion von Chemieprodukten interessant. Der Artikel berichtet über eine 2-stufige Technologie, mit der etwa 60 % der in den Algen gebundenen Energie in ein Endprodukt, das zu etwa 90 % aus Naphtha- und Mitteldestillatkomponenten besteht, überführt werden kann. Zunächst wird die feuchte Biomasse unter nahekritischen Bedingungen des Wassers in ein schwerölartiges »Biocrude« gewandelt(Hydrothermale Verflüssigung). Die weitere Veredlung erfolgt durch Hydrierung und kann prinzipiell in bestehende Raffinerieprozesse integriert werden.
Gegenstand des DGMK-Projektes 777 war die wissenschaftliche Durchdringung eines zweistufigen Prozesses zur Wandlung der gesamten feuchten Algenbiomasse in hochwertige Kraftstoffe bzw. Kraftstoffkomponenten. In der ersten Stufe wird die feuchte Biomasse thermochemisch in ein schwerölartiges Produkt – sogenanntes Biocrude – umgewandelt (Hydrothermale Verflüssigung). Dabei wird bereits ein großer Teil der in der Biomasse enthaltenen Heteroelemente ohne Einsatz von Wasserstoff eliminiert. In der zweiten Stufe erfolgt schließlich das Upgrading zu einsatzfähigen Kraftstoffkomponenten durch hydrierende Verfahren (Hydrotreating). Im Projekt wurden grundlegende Untersuchungen sowohl zum Parametereinfluss auf beide Stufen als auch zur Abhängigkeit der Produktausbeute und -eigenschaften nach dem Hydrotreating von den Reaktionsbedingungen bei der Hydrothermalen Verflüssigung durchgeführt. Das Ziel bestand darin, die Prozesskette insgesamt bezüglich Ausbeute und Qualität der Produkte sowie dem Wasserstoffverbrauch zu optimieren. Durch Einsatz verschiedener Methoden der instrumentellen Analytik konnten die sehr komplex aufgebauten Edukte und Produkte stofflich/chemisch umfassend charakterisiert und das Verständnis für die ablaufenden Reaktionen vertieft werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass etwa ein Drittel der Algenbiomasse in nahezu heteroatomfreie Naphtha- und Mitteldestillatfraktionen überführt werden kann. Die energetische Ausbeute bzgl. der in den Mikroalgen chemisch gebundenen Energie beträgt sogar ca. 60 %, selbst unter Berücksichtigung der erforderlichen Wasserstoffbereitstellung. Eine auf den experimentellen Ergebnissen beruhende wirtschaftliche Analyse zeigte, dass für eine Produktionsanlage (Kapazität 100 kt Hydrierprodukt pro Jahr) bei einem zukünftig als realistisch erachteten Biomassepreis von 0,30 €/kg Kraftstoffe zum Preis von unter 2 € pro Liter hergestellt werden könnten. Diese Kosten liegen in der gleichen Größenordnung wie sie gegenwärtig für Power-to-Liquid-Technologien diskutiert wird.