Dünner Film verbessert das „nutzbare Licht“, das zum Wachstum von Mikroalgen im industriellen Maßstab benötigt wird

Da unser kollektives Bewusstsein für die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf den Planeten wächst, ist die Suche nach nachhaltigen Lösungen immer wichtiger geworden, um das Wohlergehen künftiger Generationen zu gewährleisten.

Ein entscheidender Teil dieser Strategie ist die Entwicklung umweltfreundlicher Nahrungsmittel und Energiequellen. Traditionelle Methoden der Nahrungs- und Energieerzeugung stellen eine enorme Belastung für die Ressourcen der Erde dar und führen zur Erschöpfung von Land-, Wasser- und Energiespeichern. Wissenschaftler haben jedoch einen unwahrscheinlichen Verfechter dieser Suche entdeckt: Mikroalgen.

Mikroalgen leben als einzelne Zellen im Wasser und im Boden und stehen aufgrund ihres hohen Nährwerts im Rampenlicht. Außerdem sind sie eine Quelle für kommerziell interessante Moleküle wie Pigmente und essentielle Fettsäuren, die in Lebensmitteln, Nahrungsergänzungsmitteln und Kosmetika verwendet werden . Mikroalgen dienen auch als alternative Energiequelle, da sie von Bakterien zu Bioethanol und Biogas verstoffwechselt oder chemisch in Biodiesel umgewandelt werden können.

Obwohl sie für Nachhaltigkeitsbemühungen vielversprechend sind, wird der umfassende Einsatz von Mikroalgen in diesen Gebieten durch die hohen Produktionskosten im industriellen Maßstab (5 bis 30 USD/kg) begrenzt. Um dieses Problem anzugehen, in eine aktuelle Studie veröffentlicht in Fortschrittliche Energiematerialien, Forscher unter der Leitung von Xiaobo Yin von der Universität Hongkong haben erhebliche Fortschritte bei der Steigerung der Effizienz der Mikroalgenproduktion gemacht.

Ihr Ansatz beinhaltet die Entwicklung eines cleveren optischen Films, der die Photosynthese von Mikroalgen maximieren soll, indem er nicht-photosynthetisches Sonnenlicht in nutzbares aktives Licht umwandelt. Durch die Implementierung dieser Technologie erzielten Yin und sein Team bemerkenswerte Verbesserungen des Mikroalgenertrags und ebneten damit den Weg zu einer nachhaltigeren Methode der grünen Energieproduktion.

Die Kraft des Sonnenlichts freisetzen

Durch die Photosynthese können Pflanzen, Algen und einige Bakterien Strahlungsenergie der Sonne in chemische Energie umwandeln. Mit der Kraft des Sonnenlichts wandeln diese Organismen Wasser und Kohlendioxid (CO) um₂) in Sauerstoff und Zucker. Allerdings treibt nicht jedes Sonnenlicht die Photosynthese wirksam an.

Die Pigmente in diesen Organismen, die Licht sammeln, nämlich Chlorophylle und Carotinoide, können nur Energie aus blauem und rotem Licht gewinnen, während grünes Licht ungenutzt bleibt. Obwohl diese Energieverschwendung von Natur aus unbedeutend erscheint, könnte sie Auswirkungen auf die Produktionskosten von Mikroalgen im industriellen Maßstab haben.

Um die Effizienz der Photosynthese zu verbessern, haben Forscher versucht, die Größe der lichtsammelnden Pigmente zu vergrößern oder die Algen durch Gentechnik dazu zu bringen, Pigmente zu produzieren, die grünes Licht sammeln. Allerdings sind die meisten Mikroalgenarten resistent gegen Genmanipulation oder weisen eine genetische Instabilität auf, was bedeutet, dass sie dazu neigen, das fremde Gen mit der Zeit zu verlieren, was seine Anwendung einschränkt.

Anstatt die Algen zu manipulieren, bauten Yin und seine Mitarbeiter auf einer Strategie auf, die die Qualität des Sonnenlichts, das die Algen erreicht, mithilfe von Lichtmanagementfilmen verbessert, die auf Bioreaktoren angebracht sind. Diese Filme wandeln „verschwendetes“ grünes Licht in rotes Licht um, das die Mikroalgen bei der Photosynthese nutzen.

In der Vergangenheit trugen die flachen Oberflächen dieser Folien aufgrund der Totalreflexion des Lichts tatsächlich zum Lichteinfang bei. Um dieses Problem zu beheben, modifizierte das Team die flache Oberfläche der lichtleitenden Folie und entwickelte eine strukturierte Oberfläche, die mit mikrometergroßen Kuppeln bedeckt war. Die gekrümmten 3D-Formen erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass das Licht in den Bioreaktor umgelenkt wird, wodurch die Mikroalgen mehr photosynthetisch aktive rote Photonen für die Photosynthese erhalten.

Hände am Bioreaktor

Um den Film zu bauen, wählte das Team ein transparentes Kunststoffmaterial, in das sie Moleküle, sogenannte Fluorophore, einbetteten. Diese Moleküle absorbieren Energie aus Licht einer bestimmten Farbe und geben sie als Licht einer anderen Farbe ab, in diesem Fall wandeln sie das energiereichere grüne Licht in energieärmeres rotes Licht um. „Die hier verwendeten spektral verschiebenden Filme sind kostengünstig […] Polymere als Matrizen und, was noch wichtiger ist, einfach in großem Maßstab herzustellen“, schrieb das Team in seiner Arbeit.

Nach der Analyse der optischen Eigenschaften des durch den Film durchgelassenen Lichts bestätigte das Team, dass der Film nicht nur blaue und rote Farben durchlässt, sondern auch mehr rotes Licht durchlässt, was auf die Umwandlung des absorbierten grünen Lichts zurückzuführen ist. Dadurch erhöhte sich das Verhältnis von rotem zu grünem durchgelassenem Licht im Vergleich zu einem planaren Film ohne Fluorophore um das Fünffache. Darüber hinaus zeigten sie, dass Mikrokuppeln in ihrem System die Lichtextraktionseffizienz von nur 13 % auf beeindruckende 65 % steigerten, was auf den durch die gebogene Form erleichterten Lichtrecyclingprozess zurückzuführen ist.

Um zu testen, ob ihr Film die Photosynthese verändern könnte Chlamydomonas reinhardtii (C. reinhardtii); Um eine bekannte Mikroalge von kommerziellem Interesse zu entwickeln, legten sie ihre Folie über einen Bioreaktor, der die Mikroalge enthielt.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die unter der modifizierten Folie gewachsenen Algen bei unterschiedlichen Lichtintensitäten mehr Sauerstoff produzierten, was auf mehr Photosynthese hindeutet, als Algen, die vor einer flachen Folie ohne Fluorophore wuchsen. Diese Verbesserung der Photosynthese ging jedoch verloren, wenn die Algenkonzentration zu hoch war, wahrscheinlich weil es mehr Algen gab als Licht zur Verfügung stand.

Neben einer verbesserten Photosynthese beobachteten die Wissenschaftler auch eine höhere Wachstumsrate: Unter der neuen Folie produzierten 60 % mehr Algen. Das ist weil C. reinhardtii kann den bei der Photosynthese entstehenden Zucker als Energie sowie als molekulare Bausteine ​​für lebenswichtige Zellbestandteile nutzen.

Ein Schritt in Richtung Industriewaage

Bei der Produktion von Algen zur Vermarktung kommt es auf die Größe an. Um hohe Erträge zu gewährleisten, benötigen Organismen eine optimale Temperatur und Konzentration von Gasen und Nährstoffen, die durch Erhitzen, Kühlen und Rühren erreicht werden. Da in der Industrie verwendete Bioreaktoren größer sind, benötigen sie viel mehr Energie als solche, die in kleinen Laboranlagen verwendet werden, was sich erheblich auf die Betriebskosten auswirkt.

Um die Produktionskosten in größeren Maßstäben zu senken, führte das Team einen Proof-of-Concept-Test durch, indem es die Größe seiner Bioreaktoren vergrößerte (5 l im Vergleich zu 0,2 l im Labor) und sie im Freien unter natürlichem Sonnenlicht aufstellte.

Normalerweise bringt der Anbau im Freien mehrere Herausforderungen mit sich, da Bedingungen wie Lichtstunden und Temperatur variieren. Dennoch stellte das Team fest, dass Bioreaktoren, die mit der lichtregulierenden Folie bedeckt waren, 20 % mehr Mikroalgen pro Tag produzierten als Kontrollbioreaktoren, die mit einer flachen, fluoreszenzfreien Folie bedeckt waren, was bestätigt, dass die Verbesserung der Photosynthese und des Algenertrags auch in größeren Maßstäben und unter Ressourceneinfluss erhalten bleibt -effiziente Bedingungen.

„Angesichts der Nachfrage nach nachhaltigen und erneuerbaren Bioprodukten aus Algen ebnet unsere Arbeit den Weg zur Förderung der Mikroalgenproduktion in Photobioreaktoren für die Ausweitung von Anwendungen durch effiziente Nutzung von Sonnenenergie“, schlussfolgern die Autoren in ihrem Artikel.

Referenz: Lihua Shen et al., Mikrostrukturierte photonenverwaltende Filme für die Umwandlung von Solarenergie in Biomasse, Fortschrittliche Energiematerialien (2023). DOI: doi.org/10.1002/aenm.202204393

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Dieser Artikel wurde am 5. Juli 2023 geändert, um die Tatsache zu korrigieren, dass die 3D-Kuppeln nicht die Oberfläche verbessern, sondern dabei helfen, rotes Licht in die Bioreaktoren umzuleiten.