Biokraftstoffproduktion durch Algen & Wasserstoffproduktion durch Cyanobakterien. Von Nina Sandmann

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Dorothea Fried
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1 Biokraftstoffproduktion durch Algen & Wasserstoffproduktion durch Cyanobakterien Von Nina Sandmann

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Biodieselproduktion durch Algen 2.1 Vorteile von Algen gegenüber vaskulären Pflanzen 2.2 Kultivierungsmethoden 2.3 Erntemethoden 2.4 Methoden der Lipidextraktion und Umesterung 3. Wasserstoffproduktion durch Cyanobakterien 3.1 wasserstoffproduzierende Mikroorganismen 3.2 Schlüsselenzyme bei der Wasserstoffproduktion 3.3 Faktoren welche die Produktion beeinflussen 3.4 Erhöhung der Wasserstoffproduktion 4. Vergleich der Methoden Technische Universität Braunschweig Seite 2

1. Einleitung Transportkraftstoffe: Kerosin, Benzin und Diesel Diesel bildet größte Gruppe Schlecht für die Umwelt und mengenmäßig begrenzt umweltfreundlichere Alternativen : 1.

3 1. Einleitung Transportkraftstoffe: Kerosin, Benzin und Diesel Diesel bildet größte Gruppe Schlecht für die Umwelt und mengenmäßig begrenzt umweltfreundlichere Alternativen : 1. Generation von Biokraftstoffen (Bioethanol, Biodiesel) aus Pflanzen Wasserstoffproduktion durch Photovoltaik-Anlagen oder photochemische Brennstoffzellen sind keine langfristigen Lösungen weitere Möglichkeiten: Biodieselproduktion durch Mikroalgen Wasserstoffproduktion durch Cyanobakterien Technische Universität Braunschweig Seite 3

4 2. Biodieselproduktion durch Algen Technische Universität Braunschweig Seite 4

5 2.1 Vorteile von Algen gegenüber vaskulären Pflanzen Schnelleres Wachstum als Pflanzen und nicht nur die Samen für Biodieselproduktion nutzbar höhere Produktivität Geringe Nährstoffansprüche und Abwasser als Wasser und Nährstoffquelle Verbraucht keine landwirtschaftliche Nutzfläche und kein Trinkwasser konkurriert nicht mit Lebensmittelproduktion dient der Wasseraufarbeitung Technische Universität Braunschweig Seite 5

6 2.2 Kultivierungsmethoden Photobioreaktoren Offene Becken Geschlossene Systeme in Form von transparenten Röhren, Platten oder Säulen Verschiedene Formen von Wasserbecken (geringe Tiefe und große Oberfläche) Vorteile hohe volumetrische Produktivität kontrollierbare Parameter (Licht, Temperatur, ph-wert) Kostengünstig, generiert Biomasse zum besten Preis Nachteile Hohe Investitionskosten Gefahr der Kontamination Wasserverlust durch Verdunstung Technische Universität Braunschweig Seite 6 Geringere volumetrische Produktivität

7 Kultivierungsmethoden Technische Universität Braunschweig Seite 7

8 2.3 Erntemethoden Methode Vorteil Nachteil Zentrifugation: Für viele Arten nutzbar effektiv der Prozess verbraucht viel Energie Nicht bei fragilen Arten möglich Filtration Ernte wird erleichtert und ist somit effektiver Funktioniert nur wenn Spezies homogen und groß genug Extrazelluläres Material kann Filter verstopfen Sedimentation/ Flotation Günstige Ernte Nur bei einigen Algenarten möglich nur möglich wenn ausschließlich diese Art im Kulturmedium zu finden ist Biofilmbildung Mechanische Ernte möglich Nur bei biolfilmbildenden Algen (nicht vollständig erforscht) Müssen als homogene Suspension kultiviert werden (Energieaufwand) Flockung Technische Universität Braunschweig Seite 8 Ernte wird erleichtert und ist somit effektiver Zusätzliche Kosten durch Flockungsmittel Noch nicht gut genug erforscht

9 2.4 Methoden der Lipidextraktion und Umesterung direkte/nasse Umesterung: Keine richtige Extraktion, da gesamte Biomasse genutzt trotzdem erhöhte Effizienz variierende Effizienz bei verschiedenen Stämmen Verwendung von switchable solvents. können polar oder unpolar sein, durch N2 oder CO2 Zugabe erfolgt der Wechsel Im polaren Zustand wasserlöslich, gelangt so in die Zelle und bindet an Lipide Wechsel zum unpolaren Zustand Extraktion des Lipids und Bildung einer eigenen Phase Wiederherstellung von Lipid und Lösemittel möglich Umesterung: aus Triglyceriden (TAG) mittels Umesterung Acyl-Ester erzeugt TAG + Ethanol/ Methanol Fettsäure-Methyl-Ester /Fettsäure-Ethyl-Ester Diese Reaktion braucht Katalysatoren + Einsatz von Methanol Technische Universität Braunschweig Seite 9

10 3. Wasserstoffproduktion durch Cyanobakterien Technische Universität Braunschweig Seite 10

3.1 wasserstoffproduzierende Mikroorganismen Wasserstoffproduktion ist ein natürliches Phänomen bei vielen Mikroorganismen Grünalgen Cyanobakterien Bakterien (photosynthetisch aktive oder

11 3.1 wasserstoffproduzierende Mikroorganismen Wasserstoffproduktion ist ein natürliches Phänomen bei vielen Mikroorganismen Grünalgen Cyanobakterien Bakterien (photosynthetisch aktive oder fermentative) Beispiele für die maximale Menge an gebildeten Wasserstoff: Anabaena variabilis PK μmol/mg chl a/h Synechococcus PCC μmol/mg chl a/h Technische Universität Braunschweig Seite 11

12 3.2 Schlüsselenzyme bei der Wasserstoffproduktion Nitrogenase: In Heterocysten von filamentösen Cyanobakteren, welche unter Stickstoff limitierten Bedingungen wachsen Extrem sauerstoffempfindlich Katalysiert die Wasserstoffbildung, welche mit der Reduktion von Stickstoff (N2) verknüpft ist Aus Dinitrogenase (mit Mo,V oder Fe) und Dinitrogenase-Reduktase Hydrogenase Uptake-Hydrogenasen: H2 Verbrauchende Reaktionen katalysiert bidirektionale Hydrogenase: kann H2 verbrauchende oder H2 bildende Reaktionen katalysieren Technische Universität Braunschweig Seite 12

13 3.2 Schlüsselenzyme bei der Wasserstoffproduktion Nitrogenase: 16 ATP + 16H2O + N2 + 10H+ + 8e- 16ADP + 16Pi + 2NH4+ + H2 Uptake-Hydrogenase: 2 H2 + O2 H2O Bidirektionale Hydrogenase: H2 + NAD(P)+ H+ + NAD(P)H Technische Universität Braunschweig Seite 13

Sauerstoff Umweltfaktoren: Licht, Temperatur, Nährstoffquelle,

14 3.3 Faktoren welche die Produktion beeinflussen Intrinsisch: Stoffwechselpotential, Uptake- Hydrogenase, molekularer Sauerstoff Umweltfaktoren: Licht, Temperatur, Nährstoffquelle, Methan, Salzgehalt, Mikronährstoffe Technische Universität Braunschweig Seite 14

15 3.4 Erhöhung der Wasserstoffproduktion Auswahl der Cyanobakterien: Hemmung der Uptake-Hydrogenase bidirektionale Hydrogenase genutzt Typ II Nitrogenase mit Vanadium ist effektiver als Typ I mit Molybdän Vermehrte Heterocystenbildung Mehr Wissen über Hydrogenasen, Stoffwechselwege, Gene und Genexpression Kombinierte Kulturen in reversen Mizellen: Da viele Cyanobakterien in der Natur mit anderen Organismen assoziiert sind Heterotrophe, fakultativ anaerobe Bakterien und Cyanobakterien in reverse Mizelle Inneres der Mizellen: transparent, anaerob, kompartimentiert wie intrazellulares Milieu Zum Beispiel bei Nostoc oder Anabaena mit R.palustris sehr effektiv Kultivierungsbedingungen. Müssen spezifisch angepasst werden Noch nicht vollständig erforscht Technische Universität Braunschweig Seite 15

16 3.4 Erhöhung der Wasserstoffproduktion Nutzung von Nanotechnologien: Nanolipidproteine binden und isolieren membrangebundene Hydrogenasen Entstehende Gebilde sind stabiler und weiniger Sauerstoffanfällig Fähigkeit zur Wasserstoffproduktion bleibt erhalten Durch Immobilisierung auf der Oberfläche von Membranen steuerbare Wasserstoffproduktion wichtig für Industrie und Forschung Technische Universität Braunschweig Seite 16

17 4. Vergleich der Methoden Algen: Lokale Algenstämme im offenen Becken Nährstoff und Wasserbedarf mit Abwasser gedeckt, ggf. CO2- Anreicherung Ernte und Lipidextraktion müssen noch verbessert/günstiger werden Forschung nötig damit in großen Mengen günstiger Biodiesel produziert werden kann Cyanobakterien Modifizierte Cyanobakterien im Photobioreaktor Kultivierungsbedingungen individuell festlegen viel Aufwand viel Forschung nötig damit eine höhere aber trotzdem günstige Wasserstoffproduktion erreicht werden kann Technische Universität Braunschweig Seite 17

18 Quellen Verwendete Literatur: Leite, Gustavo B. / Abdelaziz, Ahmed E.M. / Hallenbeck, Patrick C. (2013): Algal biofuels: Challenges and opportunities. In: Bioresource Technology, 2013, Vol. 145, S Tiwari, Archana / Pandey, Anjana (2011): Cyanobacterial hydrogen production A step towards clean environment. In: Internation Journal of Hydrogen Energy, 2012, Nr. 37, S Bilder: ywr4/vyigdxpndji/aaaaaaaabzu/ryxwdxe_y0ch8d_tejl5ouoa0zyoi4ggwclcb/s1600/sea-secret- Algae-for-Skin-and-Health-Care.jpg Technische Universität Braunschweig Seite 18

19 Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit Technische Universität Braunschweig Seite 19

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