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Wie die Physik den TOC entdeckte

Bestimmung der Biomasse von Algen in Photobioreaktoren mittels TOC

Warum sich die Physiker um Prof. Hilmar Franke im Fachbereich „Angewandte Physik“ der Universität Duisburg-Essen mit dem TOC beschäftigen ist erst auf den zweiten Blick „einleuchtend“. Eigentlich befasst sich die Arbeitsgruppe mit der integrierten Optik und der Optik von Polymeren. Anfangs über die Sensorik von Biofilmen und später durch die Entwicklung eines neuartigen Beleuchtungskonzepts für Photobioreaktoren kam sie zu den Algen. Das Beleuchtungssystem sticht hervor, weil es sich hierbei um die Beleuchtung eines Reaktors von innen heraus handelt. Dazu werden speziell präparierte Lichtwellenleiter verwendet, die das zuvor eingekoppelte Sonnenlicht (oder künstliches Licht) an bestimmten Stellen im Reaktor auskoppeln (Abbildung 1).

Abbildung 1: Stellen im Reaktor auskoppeln

Im Hintergrund steht die Entwicklung eines skalierbaren Photobioreaktors zur Kopplung an ein Kraftwerk, um so das entstehende CO2 für die Algen zu nutzen und den CO2-Ausstoß des Kraftwerks zu verringern. Der Einsatzzweck der entwickelten PBRs ist aber weitaus größer, so können in ihnen auch Algen effizient gezüchtet werden, z.B. zur Biodiesel-Produktion, als Nahrungsmittel oder auch für die Kosmetikindustrie.

Weil Algen etwas mehr als nur Licht, CO2 und Wasser brauchen, holte sich Prof. Franke Unterstützung von Studenten des Studienganges „Water-Science“. Dadurch entstand eine Arbeitsgruppe, die interdisziplinär an der Entwicklung von Photobioreaktoren arbeitet und eng mit der Industrie kooperiert. Im Vergleich zu anderen Projekten dieser Art, steht die Forschung im Mittelpunkt und verfolgt viele neue Ansätze, die sich als zukunftsweisend darstellen.

Zur Effizienzmessung des entwickelten Beleuchtungssystems musste zunächst das Wachstum der Algen überwacht werden. Ein Photometer untersucht die Streuung und die Absorbtion des Chlorophylls und gibt Auskunft über das Wachstum der Algen. Beim näheren Betrachten stellte sich diese gängige Messmethode aber als zu ungenau und schwankungsanfällig heraus. Ebenso verhält es sich mit der weit verbreiteten und sehr aufwändigen Bestimmung der Proteinmasse. Darauf beruhend wurde nach einem Parameter bei Algen gesucht, der relativ konstant ist, mit wenig Aufwand und Kosten bestimmt werden kann und sich auch für die industrielle Überwachung eignet.

Der Student Sascha Hendes (Foto, mit Hilmar Franke zusammen bei der Algenmessung) hatte die Idee, die Algenbiomasse über den TOC zu bestimmen. Das fand auch bei den Mitarbeitern von Shimadzu Anklang, da es eine interessante und ungewöhnliche Verwendung des TOC-Geräts ist.

Nach einigen vielversprechenden Testmessungen in den Laboren von Shimadzu, wurde der TOC-VCPH ausgewählt, um das Messverfahren zur Bestimmung von Algenbiomasse zu entwickeln.

Messverfahren

Die 4 - 10 µm großen Mikro-Algen des Stammes Chlorella vulgaris können ohne weitere Probenvorbereitung direkt aus dem Reaktor vermessen werden. Zur Bestimmung der Biomasse wird das Differenzverfahren angewendet. Es eignet sich für alle anderen einzelligen Algen, die auch unter unterschiedlichen Anzuchtbedingungen einen stabilen Kohlenstoffanteil aufweisen.

Mit dem Differenzverfahren werden TC und TIC bestimmt und daraus der TOC errechnet. Durch eine Kalibration mit der erhaltenen Trockenmasse der Algen kann man dann vom TOC auf den Biotrockenmassenanteil in der Probe zurückschließen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Kalibration des TOC gegen die Trockenmasse

Zuerst wird die Algenprobe gemessen und der TOC bestimmt. Im Anschluss wird die Probe durch einen 0,2 µm großen Spritzenvorsatzfilter filtriert und nochmals im TOC vermessen. Dies geschieht, um unterscheiden zu können, welcher Anteil des TOC von den Algen stammt und welcher Anteil möglicherweise von extrazellulären Substanzen herführen, die die Algen produzieren oder beim Absterben in die Nährlösung freigesetzt haben.

Die Ergebnisse

Der auf diese Weise bestimmte TOC zeigt nun den Kohlenstoffanteil der untersuchten Algen. Um Rückschlüsse auf die zu gewinnende Trockenmasse zu ziehen, muss der prozentuale Kohlenstoffanteil in den Algen bestimmt werden. Dazu gibt es verschiedene direkte und indirekte Verfahren. Die einfachste und eine sehr zuverlässige Methode ist es, die gewaschenen und getrockneten Algen in einem Feststoff-TOC zu verbrennen. Als zweite Methode werden die Algen filtriert, getrocknet und dann deren Masse bestimmt. In Kombination mit den Messungen am TOC und im Photometer kann hieraus ein Zusammenhang zwischen TOC-Wert und Algentrockenmasse bestimmt werden, der Auskunft über den C-Gehalt der Algen gibt (Aus dem Kohlenstoff-Massenanteil und dem TOC-Wert lässt sich auf diese Weise sehr genau die Trockenmasse der untersuchten Algenlösung errechnen.

Um die Anwendbarkeit bei der Spezifizierung des Algenwachstums zu veranschaulichen, wurde vom Student Dominik Gerhard in seiner Diplomarbeit das Wachstum von Algen in unterschiedlichen Nährmedien unter anderem mit dem TOC untersucht (Abbildung 3). Als spezielle Maßnahmen zur Reinigung des TOC bei dauerhafter Messung von Algen sollten am Ende eines jeden Messtags die Spritze und die Probenschleifen gründlich mit verdünnter Salzsäure gespült werden, um einen Bewuchs durch Algen zu vermeiden. Besonders vor Wochenenden ist dies wichtig, da man sonst danach bei den Messungen erhöhte Messergebnisse durch den Bewuchs der Algen beobachten kann.

Abbildung 3: Wachstumskurven von Microalgen in verschiedenen Nährmedien – gemessen mit Shimadzu TOC-VCPH

Schlussfolgerung

Die Bestimmung von Biomasse aus Algen mittels TOC ist eine neue Methode, die sich in den Laboren als sehr gut geeignet herausstellt, um die Biomasseausbeute von Photobioreaktoren zu messen und das Wachstum der Algen zu überwachen. In Kombination mit weiteren Sensoren kann man zusätzlich mehr Informationen über den Zustand der Algen erhalten. Darüber hinaus kann man diese Methode leicht modifiziert auch anwenden, um Wasser aus Seen auf die (Micro-)Algenbelastung zu untersuchen.

Prof. Hilmar Franke und Sascha Hendes am TOC-VCPH von Shimadzu.

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