Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Methan durch Kultivierung von Algen und methanogenen Mikroorganismen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Nachfrage nach nachwachsenden Rohstoffen wird mittelfristig, und vor allem langfristig, steigen. Grund dafür ist neben der nicht langfristig gesicherten Verfügbarkeit fos sil er Brenn stoffe vor all em di e B el astb arkeit der Atmosphäre mit dem Verbrennungsprodukt Kohlendioxid (C0 ₂ ). Technologien, die C0 ₂ entweder einsparen oder aus der Atmosphäre entfernen, bilden die Grundlage für zukunftssichere Wertstoffproduktion. In diesem Zusammenhang hat in den letzten Jahren die Algenbiotechnologie weltweit an Bedeutung gewonnen. Der Grund dafür liegt darin, dass Algen eine wesentlich höhere Produktivität pro Fläche aufweisen als landwirtschaftliche Nutzpflanzen. Dies wird aus der Aufstellung von Dismukes (2008) wie folgt deutlich.

Die in Deutschland kultivierbaren Energiepflanzen Mais und Raps zeigen gegenüber Algen deutliche Nachteile: Der Wasserverbrauch pro geernteter Energiemenge ist bei Mais zwar ähnlich wie bei der Mikroalge Tetraselmis, aber der Mengenertrag j e Fläche beträgt nur etwa ein Fünftel. Nimmt man den in der Praxis erzielten Flächenertrag der Algengroßproduktionsanlage in Klötze (Sachsen-Anhalt), der bei ca. 50 1 (Trockensubstanz) pro ha liegt, und die Spitzenerträge bei Mais mit ca. 8-9 1 (Trockensubstanz) pro ha, kann man mit Algen eine ca. 8-fache Ertragssteigerung erzielen. Beim Olsamenträger Raps ist die Situation noch ungünstiger: Der Wasserbedarf ist ca. 10 mal höher und die Erträge sind bei einem zwischen 2-4 t je ha schwankenden Flächenertrag ca. 15 mal niedriger. Selbst diese landwirtschaftlichen Erträge sind nur auf guten und nach„best-practice" bewirtschafteten Flächen bei guter Witterung zu erzielen. Die Klimaprognosen sagen allerdings voraus, dass sommerliche Trockenperioden und warme schneefreie Winter an Häufigkeit zunehmen und damit das Risiko von Ernteausfällen steigt.

Der Vorteil von Algenkulturen besteht darin, dass die Anlagen auf landwirtschaftlich völlig wertlosen und sogar auf versiegelten Flächen aufgebaut werden können. Auch die Versorgung mit Dünger ist über vorbehandeltes Abwasser möglich und lässt bei intelligenter Prozessführung erwarten, dass der Wasserbedarf nur in sehr geringem Umfang aus Regen- oder Grundwasser gedeckt werden muss.

Allerdings wird die heutige algenbasierte Photoreaktortechnologie durch folgende Beschränkungen limitiert.

a) Hohe Investitionskosten. Alle zur Zeit verfolgten technischen Konzepte beruhen auf Suspensionskulturen. Diese können entweder „offen" als Ponds oder „geschlossen" in Kunststoff- oder Glasbehältern durchgeführt werden. Offene Systeme haben zwar den Vorteil geringerer Investitionskosten, sie sind allerdings deutlich weniger leistungsfähig und können nur mit natürlichen Arten betrieben werden. Außerdem besteht die Gefahr von Kontaminationen, da sich im Aerosol aerophytische Algen befinden. Geschlossene Anlagen erzeugen hohe Investitions- und Betriebskosten, da die Algensuspensionen in flachen Kollektoren bewegt werden müssen. Das erfordert dichte Kunststoff- oder Glasbehälter, die auf Metallgerüsten installiert werden müssen.

b) Aufgrund des Lichtbedarfs und der hohen Eigenabsorption der Zellen kann man pro Einheit Produktionsvolumen den Biomasseanteil nur gering halten. Die maximale Dichte wird mit 40 g Feuchtgewicht pro Liter angegeben. Auf Kohlenstoff bezogen beträgt die Biomassekonzentration pro Volumen ca. 0,4 %, in den meisten Produktionsanlagen ist sie sogar geringer. Eine weitere Erhöhung ist aus Gründen der Reaktorsteuerung (Entsorgung des Sauerstoffs, Versorgung mit C0 ₂ , Lichtdurchlässigkeit) nicht möglich. Die Algensuspensionen müssen daher beständig umgepumpt, gerührt oder stark begast werden. Berechnet man die C0 ₂ -Emission, die bei der Herstellung des Stroms für den Pumpenbetrieb entstanden ist, werden schon 50 % des von Algen fixierten Kohlendioxids verbraucht.

c) Der Ernteprozess erfolgt über Druckfiltration (z. T. über Zentrifugation, was noch ungünstiger ist). Auch die hierfür notwendige elektrische Energie ist bedeutsam und reduziert die energetische Wirksamkeit um weitere 15-20 %.

d) Es liegen bislang keine überzeugenden Refinementkonzepte vor, wie die Algenbiomasse in energetische oder stoffliche Massenwertstoffe überführt werden kann. Die heute marktfähigen Produkte aus Algen sind hochpreisige Produkte, wie Nahrungsergänzungsstoffe, Vitamine oder Lebensmittelfarbstoffe wie z. B. Carotinoide. Die direkte Überführung der Algen in Biogasanlagen ist zwar technisch möglich, allerdings ist das Biogas durch einen hohen Anteil an Ammoniak und Schwefelwasserstoff giftig und verlangt eine aufwendige Gasreinigung, die nur bei sehr großen Anlagen wirtschaftlich ist. Zur Zeit wird daher keine Biogasanlage ausschließlich mit Algen als Substrat betrieben.

Aus der DE 10 2007 03 1 688 AI ist ein Verfahren zur biologischen Erzeugung von Methan bekannt, bei dem in einem ersten Schritt durch Algen unter Lichteinwirkung zunächst Wasserstoff und Sauerstoff aus Kohlendioxid und Wasser erzeugt wird und in einem zweiten Schritt durch Methanogenese-Bakterien Methan aus dem erzeugten Wasserstoff und aus Kohlendioxid gewonnen wird. Das Verfahren hat den Nachteil, dass die Algen im Licht Sauerstoff bilden, der in den Zellen die Wasserstoffsynthese hemmt. Die Zellen bilden im Licht unter aeroben Bedingungen Stärke und diese wird dann im Dunkeln unter anaeroben Bedingungen abgebaut. Die dabei freiwerdenden Elektronen werden in Abwesenheit von Sauerstoff als Wasserstoff freigesetzt. Diesen Vorgang nennt man Photofermentation. Die energetische Gesamteffizienz ist aber sehr gering. Schon bei der Stärkesynthese beträgt unter den natürlichen Lichtbedingungen der Wirkungsgrad nur maximal 12 - 14 %. Die Umwandlung der in der Stärke gespeicherten Energie in Wasserstoff erfolgt bei aktuellem Forschungsstand zu maximal 5 %. Daraus ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von 0,07 %. Zwar wird an der Verbesserung dieser Reaktion gearbeitet, ab er hier sind noch keine Durchbrüche erkennbar. In der in der DE 10 2007 031 688 AI beschriebenen Lösung kann man mit einem Wirkungsgrad von bestenfalls 0,04 % rechnen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Methan in einem Photobioreaktor und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben. Insbesondere soll der Wirkungsgrad, d. h. die Methanausbeute bezogen auf die Energie des eingestrahlten Lichts, erhöht werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren gelöst. Die im Anspruch 7 beschriebene Vorrichtung und die in Anspruch 12 beschriebenen Mikroorganismen eignen sich besonders gut zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Erfindung erlaubt es mittels photosynthetisch aktiven Mikroorganismen, bevorzugt einem Aigenbiofilm, und mit Hilfe der Photosynthese einen Metaboliten zu bilden, der ausgeschieden wird und nach Durchtritt durch eine Trennzone unter anaeroben Bedingungen zu Methan umgesetzt wird. Damit wird eine Methanproduktion während der Anwesenheit von Licht ermöglicht. Durch die Ausscheidung des Metaboliten wird erreicht, dass Produktionslimitierungen durch den Algenstoffwechsel weitgehend umgangen werden können.

Der Erfindung liegt die im Folgenden dargestellte wissenschaftliche Erkenntnis zugrunde.

Die Primärreaktionen der Photosynthese (Photolyse des Wassers, Erzeugung von Reduktions- und Energieäquivalenten) haben einen Wirkungsgrad von ca. 80 %. Danach setzen enzymati sche Reaktionen der Zuckersynthese und der anschließenden Verstoffwechselung des Zuckers in die Zellbausteine ein. Jede enzymatische Reaktion ist mit einer Entropiezunahme verbunden, die die Energiewandlungseffizienz vom Photon in das technische Produkt mindert (Langner et. al 2009). Je höher die Zahl der stofflichen Umwandlungen in der Zelle ist, desto höher sind die energetischen Verluste, die man als „metabolische Kosten" zusammenfassen kann. Unter optimalen Bedingungen werden maximal 14 % der absorbierten Energie in der Biomasse gespeichert, während der restliche Energiebetrag während der Photoperiode verloren geht. Damit wird eine kontinuierliche Methanproduktion ermöglicht. Neuere Arbeiten, die bei Algen komplette Energiebilanzen nach Teilreaktionen aufgeschlüsselt haben, zeigen, dass nicht die Photosynthese in ihren Primärreaktionen, sondern die Effizienz des Stoffwechsels, der zur neuen Biomasse führt, die Gesamteffizienz mindert. Damit kann man aus der Energetik der Stoffwechselwege ableiten, dass eine drastische Steigerung der bioenergetischen Nutzung der mikrobiellen Photosynthese nur möglich ist, wenn man den assimilierten Kohlenstoff möglichst früh den Zellen entzieht und statt der neuen Biomasse die Exkretionsprodukte, die keinem weiteren Stoffwechsel mehr unterliegen, für die Erzeugung von„Biofuels" nutzt. Die Zellen sollten im optimalen Fall nur soviel von ihrem Kohlenstoff zurückhalten, wie für die Aufrechterhaltung des Grundstoffwechsels erforderlich ist. Im Idealfall wachsen die Algen nicht. Substantielle Effizienzfortschritte lassen sich bei der Herstellung von Biokraftstoffen aus Algen also nur dann erreichen, wenn man den mittels Photosynthese hergestellten organischen Kohlenstoff nicht für die Gewinnung von Biomasse benutzt, sondern ein „frühes" Produkt der Photosynthese aus der Zelle entfernt und dieses weiter biologisch zu einem Wertstoff umsetzt. Ideal wäre daher eine biologisch aktive Oberfläche, die nicht wächst, sondern aus C0 ₂ und Wasser eine reduzierte, optimalerweise gasförmige Substanz wie Methan bildet.

Dieser neue Ansatz zielt nicht auf die Produktion von Biomasse, sondern auf die limitierte Ernährung von Algen als Verbraucher von C0 ₂ mit gekoppelter Produktion von CH ₄ und ermöglicht neben der Erzeugung von Energie eine Verbesserung der Umweltsituation.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Methan sowie ein Photobioreaktor, der aus zwei Zonen (Kompartimenten) besteht. Im Photobioreaktor wird durch die Einwirkung von Sonnenlicht aus einem sauerstoffangereichertem und kohlendioxid-abgereichertem Gasgemisch Methan erzeugt.

Die Reaktion erfolgt in zwei Teilschritten, die in zwei verschiedene Kompartimente verlagert sind. Im ersten Kompartiment (aerobes Kompartiment) erfolgt mit Hilfe der bei der Photosynthese in Algenzellen (oder andere photosynthetisch aktive Mikroorganismen) auftretenden Photorespiration die Synthese von Glykolat (auch Glycolat), das von den Zellen ausgeschieden wird. Die photosynthetisch aktiven Mikroorganismen bilden bevorzugt auf einem Trägermaterial eine Beschichtung. Mit Hilfe eines kontinuierlichen bzw. semi-kontinuierlichen Flüssigkeitsstromes werden die photosynthetisch aktiven Mikroorganismen einerseits mit Nährstoffen versorgt und andererseits das ausgeschiedene Glykolat in das zweite Kompartiment (anaerobes Kompartiment) transferiert. Dieses anaerobe Kompartiment ist durch ein Trennmodul, bevorzugt eine sauerstoffundurchlässige Membran, von dem aeroben Kompartiment abgetrennt. Das zweite Kompartiment ist anaerob und enthält methanogene Mikroorganismen. Di e methanogenen Mikroorganismen setzen das eingeschleuste Glykolat direkt zu Methan um. Das gebildete Biogas besteht ausschließlich aus Methan und Kohlendioxid in einem Verhältnis von 3 : 5. Durch einen Waschvorgang wird das C0 ₂ entfernt. Das auf diese Weise erhaltene C0 ₂ wird bevorzugt zusammen mit dem im ersten Kompartiment gebildeten und dort oder in der Strippingkammer abgeführten Sauerstoff als Nährgas zum Kompartiment 1 zurückgeführt. Das so erhaltene Methan i st direkt ohne weitere Aufarbeitung verwendbar. Vorteilhaft i st, dass d e r Ge h al t an störenden Stickstoffverbindungen (insbesondere Stickoxide, NH ₃ ) und Schwefelverbindungen (insbesondere H ₂ S) geringer als 1 % ist, bevorzugt unter 0, 1 %, ist.

Auch wenn als Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Gemisch aus Methan und Kohlendioxid gebildet wird, so wird doch im Gesamtergebnis durch das erfindungsgemäße Verfahren unter C0 ₂ -Verbrauch CH ₄ hergestellt.

Die formale Reaktionsgleichung des Gesamtprozesses lautet:

1 C0 ₂ + 2 H ₂ 0 ► CH ₄ + 2 0 ₂ (Gleichung 1)

Vorteilhaft handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um eine reine Kohlenwasserstofftechnologie. Es werden weder Stickstoff- noch Phosphorverbindungen als Nährstoffe benötigt.

Da im erfindungsgemäßen Verfahren der fixierte Kohlenstoff nur in sehr geringem Umfang über eine Vielzahl von Enzymen im Stoffwechsel der photosynthetisch aktiven Mikroorganismen und methanogenen Mikroorganismen in komplexe Makromoleküle, wie Protein, Stärke und Fette umgewandelt werden muss, sind die Verluste durch den Stoffwechsel gering. Im erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich vorteilhaft mit einer mindestens 20 % und bis zu 25 %, bevorzugt 30 %igen photosynthetischen Effizienz der Lichtenergie Glykolat herstellen. Da bei dem Fermentationsprozess ebenfalls der Energieverlust relativ gering ist, weist das erfindungsgemäße Verfahren einen Gesamtwirkungsgrad von 15 %, bevorzugt 20 % bis 25 % auf. Dies ist gegenüber herkömmlichen Technologien eine Steigerung um eine Zehnerpotenz.

Das Wachstum der photosynthetisch aktiven Mikroorganismen wird im erfindungsgemäßen Verfahren auf ein Minimum reduziert bzw. ganz eingestellt. Daher werden die photosynthetisch aktiven Mikroorganismen im erfindungsgemäßen Verfahren nicht gedüngt, d. h. der Flüssigkeitsstrom, der die photosynthetisch aktiven Mikroorganismen versorgt, enthält bevorzugt keine Stickstoff- und/oder Phosphorquelle.

Bevorzugt wird im erfindungsgemäßen Verfahren der Anteil des ausgeschiedenen Glykolats durch unterschiedlichste Maßnahmen erhöht.

Dies geschieht bevorzugt, in dem die photosynthetisch aktiven Mikroorganismen bei nicht photorespiratori sehen Bedingungen kultiviert werden. Dazu wird mit einer Gasmischeinrichtung das Verhältnis C0 ₂ zu 0 ₂ in der Gaszusammensetzung, mit dem die photo synthetisch aktiven Mikroorganismen versorgt wird („Nährgas") eingestellt. Der C0 ₂ -Gehalt des Gases beträgt vorzugsweise maximal ein 1/500, weiter bevorzugt maximal 1/1000 des Sauerstoffgehalts bezogen auf die Volumenanteile. Besonders bevorzugt beträgt das Verhältnis C0 ₂ zu 0 ₂ in der Gaszusammensetzung 1 zu 1500 bis 1 zu 2000 bezogen auf die Volumenanteile.

Durch die Reduktion des C0 ₂ -Gehalts und die Erhöhung des Sauerstoffgehalts des im Nährgas wird vorteilhaft die Oxygenaseaktivität der Ribulose-l,5-bisphosphat- Carboxylase/-Oxygenase (RUBISCO, EC 4.1.1.39) und damit die Glykolatproduktion gesteigert.

Zusätzlich oder alternativ zu der Einstellung des C0 ₂ /0 ₂ -Verhältnisses wird in der Erfindung bevorzugt die Glykolatproduktion durch weitere Maßnahmen gesteigert, die Glykolatmetabolisierung reduziert und/oder die Glykolatausscheidung erhöht.

Die Reduktion der Glykolatmetabolisierung geschieht entweder durch Einsatz von unspezifischen Inhibitoren (wie z. B. Isoniazid) oder bevorzugt durch gezielte Inhibition der Glykolatdehydrogenase und/oder Glykolatoxidase. Die gezielte zellinterne Inhibition erfolgt beispielsweise durch small hairpin RNA (shRNA) oder small interference RNA (siRNA). Durch die wie oben durchgeführte Inhibition kann vorteilhaft die Glykolatmetabolisierung der photosynthetisch aktiven Mikroorganismen, insbesondere Algen, weitestgehend unterbunden werden.

Alternativ oder bevorzugt zusätzlich erfolgt in den photosyntheti sch aktiven Mikroorganismen eine Überexpression der Ribulose-l,5-bisphosphat-Carboxylase/- Oxygenase (RUBISCO, EC 4.1.1.39) und/oder der Glykolatphosphat-Phosphatase (EC 3, 1,3, 18), wodurch die Glykolatproduktion gesteigert wird. Besonders bevorzugt erfolgt eine Überexpression der RUBISCO vom Typ II. Diese hat vorteilhaft eine höhere Umsatzrate als die natürlicherweise in Algen und Cyanobakterien enthaltene RUBISCO vom Typ I.

Alternativ oder bevorzugt zusätzlich wird die Glykolatausscheidung gesteigert, in dem in die photosynthetisch aktiven Mikroorganismen ein für einen Glykolattransporters codierenden Gens einkloniert wird. Das für den Glykolattransporter codierende Gen enthält Targetsequenzen, welche dafür sorgen, dass der Glykolattransporter in die Zytoplasmamembran und/oder die Membran der Chloroplasten getarget wird.

Alternativ oder bevorzugt zusätzlich wird in den photosyntheti sch aktiven Mikroorganismen der Kohlenstoffkonzentrierungsmechanismus (engl. „carbon concentrating mechanism" abgekürzt CCM) inaktiviert. Der Kohlenstoffkonzentrierungsmechanismus unterstützt die Fixierung von anorganischem Kohlenstoff (C0 ₂ oder HC0 ₃ ^" ) und variiert von Organismus zu Organismus. Häufig schließt der CCM eine externe oder intrazelluläre Carboanhydrase und einen Kohlenstofftransporter für anorganischen Kohlenstoff ein. Der CCM erhöht die C0 ₂ - Konzentration in Pyrenoiden (Algen) bzw. Carboxysomen (Cyanobakterien) um die RUBISCO und schließt meist eine Carboanhydrase ein, die HCO3 ^" produziert. Durch den Kohlenstofftransporter wird der anorganische Kohlenstoff (meist Hydrogencarbonat) dann in die Carboxysomen bzw. Pyrenoiden gepumpt. CCM in Algen sind bekannt u. a. in Giordano M et al. 2005 beschrieben, welches hier ausdrücklich als Referenz einbezogen wird. Der CCM wird bevorzugt durch genetische Inaktivierung der Carboanhydrase und/oder den Kohlenstofftransporter inaktiviert. Ebenso sind Algen bekannt, den ein CCM fehlt. Hier sei beispielhaft auf Raven JA et al. 2005 verwiesen, welches hier ebenfalls ausdrücklich als Referenz einbezogen wird. Vorteilhaft können die wie oben beschriebenen transgenen photosynthetisch aktiven Mikroorganismen auch bei einem C0 ₂ /0 ₂ -Verhältnisses, welches der normalen Luft entspricht oder sogar mehr C0 ₂ enthält, kultiviert werden. Bei Überexpression der RUBISCO vom Typ II ist das Verhältnis C0 ₂ zu 0 ₂ in der Gaszusammensetzung bevorzugt höher als in der normalen Luft.

Gegenstand der Erfindung sind auch wie oben beschrieben genetisch veränderte photo synthetisch aktive Mikroorganismen, insbesondere Algen.

Die photosynthetisch aktiven Mikroorganismen sind vorzugsweise biofilmbildende Algen, bevorzugt der Gattungen Chlamydomonas, Chlorella, Apathococcus, Chlorokybus, Stichococcus, Nannochloris, Trebouxia, Keratococcus, Pseudococcomyxa.

Bevorzugt werden im erfindungsgemäßen Verfahren photosynthetisch aktive Mikroorganismen, bevorzugt Algen der oben genannten Gattungen, mit verminderter Aktivität der Glykolatdehydrogenase und/oder Glykolatoxidase eingesetzt. Dazu werden photosynthetisch aktive Mikroorganismen selektiert, die eine verminderte Aktivität der Glykolatdehydrogenase und/oder Glykolatoxidase aufweisen oder es erfolgt eine Inhibition der Glykolatdehydrogenase und/oder Glykolatoxidase wie oben beschrieben.

Die Methanproduktion erfolgt unter anaeroben Bedingungen durch methanogene Mikroorganismen, die Glykolat als Substrat in C0 ₂ und CH ₄ umsetzen. Dabei wird ein molares Verhältnis C0 ₂ zu CH ₄ von 5 : 3 erzielt. Besonders bevorzugt werden Mikroorganismen der Gattung Synthrophospora oder mittels Glykolatselektion (bevorzugt Glykolat als einzigem Substrat) erzeugte Mischpopulationen aus konventionellen Gärsümpfen oder Biogasanlagen für die Methanogenese genutzt.

Im erfindungsgemäßen Verfahren fließen zwei Gasströme:

1. der erste Sauerstoff- und kohlendioxidhaltige Gasstrom, der im aeroben Kompartiment an 0 ₂ angereichert und C0 ₂ abgereichert wird und

2. im anaeroben Kompartiment der zweite Gasstrom (Methan und C0 ₂ ), der das Methan aus dem Kompartiment mit den methanogenen Mikroorganismen abführt. In der Nettobilanz wird im erfindungsgemäßen Verfahren aus C0 ₂ und Wasser Methan und Sauerstoff gebildet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung (Photobioreaktor) besteht aus drei Bauteilen (Modulen):

1. Ein Photosynthesemodul mit dem erstem, aeroben Kompartiment,

2. Ein Trennmodul mit einer sauerstoffundurchlässigen Membran,

3. Ein Methanogenesemodul mit dem zweiten, anaeroben Kompartiment.

Vorteilhaft kann der erfindungsgemäße Photobioreaktor in einer in der Form eines Plattenreaktor ausgestaltet werden und wie herkömmliche Solarmodule z. B. auf Hausdächern oder auch Hausaußenwänden montiert werden. Einzelne Photobioreaktoren können bezüglich der Flüsigkeits- und Gasversorgung parallel oder auch in Reihe geschaltet werden. Bevorzugt ist eine flächige Ausfertigung der Vorrichtung - alternativ wird die Vorrichtung in zylindrischen oder halbzylindrischen Geometrien ausgestaltet. Die einzelnen Zonen (Kompartimente) sind bevorzugt als Dünnschichtkammern ausgestaltet.

Beide Zonen bzw. Kammern verfügen je über Anschlüsse zur Versorgung, d. h. Nährstoffzufuhr und Flüssigkeit (Algen und Mikroorganismen), C0 ₂ 0 ₂ , zum Abtransport von Beiprodukten (Überschussschlamm, Flüssigkeit) und zur Entgasung und Produktgewinn, (C0 ₂ , 0 ₂ , CH ₄ J gemäß Abschnitt 6. Das Material zur Ausfertigung dieser technischen Einrichtung muss sich an den hier gestellten Ansprüchen orientieren und kann daher als solide Ausfertigung (Glas, Metall, Kunststoff) oder auch mittels Folien ausgeführt werden.

Die Gasabfuhr vom anaeroben Kompartiment ist bevorzugt mit einer Gaswascheinrichtung verbunden, welche die Abtrennung des C0 ₂ aus dem gebildeten Biogas erlaubt.

Bevorzugt ist die Gaszufuhr zum aeroben Kompartiment mit einer Gasmischeinrichtung verbunden, welche die Einstellung des gewünschten C0 ₂ /0 ₂ -Verhältnisses erlaubt. Die Gasmischeinrichtung wird einerseits bevorzugt durch Luftsauerstoff und/oder aus dem aeroben Kompartiment abgeführten Sauerstoff, sowie aus dem anaeroben Kompartiment abgeführten C0 ₂ gespeist. Bevorzugt ist dazu die Gasmischeinrichtung mit der Gasabfuhr des aeroben Kompartiment sowie mit der Gaswascheinrichtung verbunden.

Aufbau und Funktionsweise des Photobioreaktors sowie der Verfahrensablauf werden anhand dieser Module und den Abbildungen 1 bis 6 näher erläutert:

1. Der Photosynthesemodul

Photosynthetisch aktive Mikroorganismen, bevorzugt Mikroalgen, wie z. B. Chlorella fusca oder auch Chlamydomonas reinhardtü, können sowohl in Suspension als auch als Biofilme wachsen. Biofilmbildende Algen zeichnen sich durch hohe Resistenz gegenüber Licht-, Temperatur- und Trockenheitsstress aus. Zur Beschichtung des Trägermaterials werden daher bevorzugt Biofilmbildende Algen eingesetzt. Alternativ werden die photosynthetisch aktiven Mikroorganismen, bevorzugt Algen, in einer Matrix (z. B. Biopolymere wie Alginat, Chitosan, Agar) immobilisiert. Insbesondere im Falle der biofilmbildenden Algen dient die zur Abtrennung der beiden Kompartimente verwendete Membran (oder genauer deren zum aeroben Kompartiment zugewandte Seite - Retentatseite) als Trägermaterial für die Algen bzw. den Algenbiofilm. Alternativ liegt auf der Membran (oder genauer deren zum aeroben Kompartiment zugewandte Seite) ein Trägermaterial, bevorzugt ein Faser- Vlies oder eine Matrix (z. B. aus den oben genannten Biopolymeren) auf, in dem oder auf dem die Algen immobilisiert sind.

Die der Licht zugewandte Seite des aeroben Kompartiments ist aus lichtdurchlässigem Material. Der aerobe Kompartiment ist bevorzugt als Kammer ausgestaltet, die neben einer Vertiefung für die Aufnahme von Nährmedium eine Gaszufuhr und Gasabfuhr enthält, die so angebracht sind, dass das Gas über das Trägermaterial strömt. Die Gaszufuhr erfolgt bevorzugt kontinuierlich. Die Flüssigkeitszufuhr erfolgt entweder über die Gasabfuhr oder -zufuhrstutzen - alternativ enthält das Kompartiment dafür einen gesonderten Stutzen oder einen abnehmbaren Deckel . Die Flüssigkeitszufuhr erfolgt bevorzugt ebenfalls kontinuierlich.

Die Biomasse an photosynthetisch aktiven Mikroorganismen wird bevorzugt in einer Menge aufgebracht, die je nach Zelltyp aus so vielen Lagen besteht, dass etwa 90 % der photosynthetisch aktiven Strahlung absorbiert werden. Bevorzugt hat die Biomasseschicht eine Dicke unter 5 mm. Diese Biomasse kann entweder durch Aufwuchs oder durch Beschichtung aus vorkultivierten photosynthetisch aktiven Mikroorganismen, insbesondere Algen, erfolgen.

Vorbereitung:

Das Trägermaterial (ggf. die Membran) wird vor der Inbetriebnahme bzw. ggf. vor Montage der Verfahrensapparatur mit photosynthetisch aktiven Mikroorganismen (bevorzugt Algen gemäß der oben aufgeführten Spezies beschichtet), so dass diese bevorzugt einen Biofilm oder Beschichtung in geeigneter Matrix/ Trägermaterial bilden.

Die Biofilmbildung oder Beschichtung sollte vor Beginn der Produktion von Glykolat als Energieträger abgeschlossen sein.

Ergebnisse der Erfinder zeigen, dass sich durch die Erniedrigung der CC -Konzentration und des Sauer Stoffkonzentration (gegenüber Luft) die Glykolatausscheidung steuern lässt (Abb. 2).

Wird die Weiterverwertung des Glykolats verhindert, z. B. durch einen Hemmstoff (wie Isoniazid) oder durch die Hemmung des Enzyms Glykolatdehydrogenase, steigen die Exkretionsraten signifikant an (Abb. 3).

Die Photonenbilanz kann deutlich verbessert werden, indem folgendes metabolische Design der Glykolat-exkretierenden Zellen realisiert bzw. mindestens eine der folgenden genetischen Veränderungen in den photosynthetisch aktiven Mikroorganismen, bevorzugt Algen, durchführt:

a) Zur Erhöhung der Carboxylierungskapazität wird die RUBISCO überexprimiert, während die anderen Enyzme des CALVIN Zyklus inkl. ihrer Regulation unverändert bleiben. Damit ist sicher gestellt, dass der CALVIN Zyklus ausreichende Mengen des Akzeptormoleküls 1,5-Ribulose-bis-Phosphat zur Verfügung stellen kann. Eine Verdoppelung der RUBSICO Menge resultiert in einer Erhöhung der Glykolatexkretion, da die Rubisco die kapazitätsbestimmende Komponente der Kohlenstofffixierung darstellt.

b) Zur Verbesserung der Glykolatausscheidung wird die Glykolatphosphat Phosphatase (EC 3.1.3.18) überexprimiert. c) Zur Verbesserung der Glykolatausscheidung wird der Glykolattransporter überexprimiert werden. Dieses Enzym ist sowohl bei Bakterien (Nunez et al. 2001) als auch als Glykolatimporter in pflanzlichen Peroxisomen (Reumann et al. 1995) schon beschrieben und kann in das Genom der Alge integriert werden.

d) Da der Glykolattransporter ein membranintegrales Protein ist, wird er bevorzugt doppelt targetiert: einmal in die Chloroplastenmembran und gleichzeitig in die Zytoplasmamembran, um sicher zu stellen, dass das aus dem Chloroplasten in das Zytosol exkretierte Glykolat die Zelle verlassen kann. D. h. es werden bevorzugt zwei Gene, die für den Glykolattransporter mit unterschiedlichen Targetsequenzen kodieren, in die photosynthetisch aktiven Mikroorganismen transferiert - einmal mit einer Targetsequenz, welche für die Integration in die Chloroplastenmembran sorgt, und - einmal mit einer Targetsequenz, welche für die Integration in die Zytoplasmamembran sorgt. e) Der Kohlenstoffkonzentrierungsmechnismus (CCM) wi e oben beschrieben inaktiviert wird.

Die photosynthetisch aktiven Mikroorganismen, insbesondere Algen, liegen im Photosynthesemodul bevorzugt nicht als Suspensionskultur, sondern als Biofilm vor. Das ausgeschiedene Glykolat wird durch einen Flüssigkeitsstrom, der den Biofilm mit Nährstoffen und mit einem konstanten Reaktionsmilieu versorgt, abgeführt. Damit wird verhindert, dass Glykolat Konzentrationen erreicht, die die Photosynthese hemmen könnten.

Das ausgeschiedene Glykolat wird in einem mikro systemanalytischen Ansatz in eine anaerobe Zone (siehe 3. Methanogenesemodul) überführt, in dem methanogene Mikroorganismen das Glykolat in Methan und C0 ₂ umwandeln.

2. Das Trennmodul

In Hinblick auf eine mögliche Separation der aeroben und anaeroben Zone unter B erücksichtigung einer horizontal möglichst kleinskaligen, dünnschichtigen (Mikrosystemtechnik) Ausfertigung der Zonen (Kompartimente), wird das Verfahren in nachfolgender Abbildung dargestellt. Die Abb. 4 zeigt das Schema des Zonensystems. Die sich ergebenden limitierenden Faktoren sind bei diesem Verfahrensschema:

die Membran (ggf. auch Biofilmträger) (Cut-Off, Sauerstoff- und Biomasserückhaltung) und

Erhaltung eines möglichst streng anaeroben Milieus auf der Seite der methanogenen Mikroorganismen, d. h. nur geringster Sauerstoffübergang ist zulässig.

Als Barriere zwischen der anaeroben und aeroben Zone (Kompartiment) werden Materialien eingesetzt werden, welche Sauerstoff und Biomasse zurückhalten und Glykolat passieren lassen. Das Trennmodul grenzt das aerobe Kompartiment in Richtung anerobes Kompartiment, d. h. bevorzugt zu der Sonne abgewandten Seite, ab.

Je nach Form der Vorrichtung (bevorzugt flach oder zylindrisch) kommen Flachmembranen, Rohrmembranen oder Membranschläuche zum Einsatz.

Es werden drei bevorzugte Varianten als potentielle Barriere für die Trennung der Aerob- von der Anaerobzone spezifiziert, welche sowohl die Rückhaltung von Biomasse als auch einen möglichst hohen Rückhalt von Sauerstoff gewährleisten sollen, gleichzeitig aber auch als Biofilmträger fungieren können: a) Flüssigmembran

Flüssigmembranen können durch die Auswahl des Liquids evtl. eine hohe Selektivität hinsichtlich des Glykolats erreichen. So kann durch spezifische Stoffauswahl nach dem Prinzip„Gleiches- löst- Gleiches" eine hohe Affinität des Glykolats erreicht werden, bei verhältnismäßig geringem Lösungsvermögen für freies 0 ₂ . Eine detaillierte Stoffauswahl kann auf dieser Basis vorgenommen werden. Die Flüssigmembran benötigt i. A. einen Trägerstoff aus porösem Material. b) einfache Membran

Prinzipiell eignen sich alle handelsüblichen Membranen für die Abtrennung von aeroben und anaeroben Kompartiment. Im einfachsten Fall besteht das Trennmodul aus einer einzelnen Membran. Die Membran trägt bevorzugt kationische Gruppen und ist ausgewählt aus Polymer-, Keramik- oder auch Acetatmembran. Bevorzugt sind Ultrafiltration- oder Umkehrosmose-Materialien. Die Membran kann aus handelsüblichen Membranmaterialien bestehen und auch in Kombination mit einem Faser- Vlies, welches als Biomasseträger eingesetzt werden kann, die Barrierefunktion erfüllen. c) Stripping-Kammer

Um den unerwünschten Transport von Sauerstoff in die anaerobe Kultur der methanogenen Mikroorganismen zu unterbinden und gleichwohl das Glykolat zu transportieren kann die Barriere

Bevorzugt wird das Trennmodul als eine dritte, minimalistische Kammer ausgestaltet, welche zum aeroben wie anaeroben Bereich durch eine Membran abgetrennt wird. In diese Stripping-Kammer wird zum Austrag des Sauerstoffs (Entgasung) ein Gas, z. B. C0 ₂ oder N ₂ , bevorzugt Prozessgas der Anaerobstufe, in die wässrige, Glykolat-haltige Lösung eingebracht (sog. Strippen). Das Membranmaterial richtet sich dabei nach den oben genannten Spezifikationen.

Die Strippingkammer enthält Eingangsstutzen und Ausgangsstutzen für die Entgasung, sie kann lichtundurchlässig ausgestaltet sein.

3. Das Methanogenesemodul

Das anerobe Kompartiment ist wie oben beschrieben durch das Trennmodul (Membran bzw. Strippingkammer) vom aeroben Kompartiment abgetrennt. Das Glykolat wird hier durch methanogene Mikroorganismen zu C0 ₂ und C H ₄ umgesetzt. Das anerobe Kompartiment enthält mindestens eine Gasabfuhr. Die Flüssigkeitszufuhr erfolgt entweder über diese - alternativ enthält das Kompartiment für die einen gesonderten gasdichtverschließbaren Stutzen. Das anaerobe Kompartiment ist bevorzugt aus lichtundurchlässigem Material gefertigt.

Die anaerob arbeitenden methanogenen Mikroorganismen liegen bevorzugt immobilisiert oder in Suspension vor.

Kurz und LaRue (1973) sowie Edenborn und Lichtfield (1985) konnten zeigen, dass bestimmte strikt anaerobe Mikroorganismen ausschließlich auf Glykolat als einzigem Substrat leben können. Friedrich et al. (1991) klärten dann den Reaktionsweg auf und fanden folgende Reaktionsgleichung des anaeroben Glykolatabbaus: 4 Glykolsäure (Glykolat) 3 CH ₄ + 5 C0 ₂ + 2 H ₂ 0 (Gleichung 2)

Die bevorzugten Isolate FlGlyl und FlGlyM (sensu Friedrich et al. 1991) gehören innerhalb der Clostridien zu den Synthrophospora.

Die Erfinder haben gezeigt, dass auch Mikroorganismenpopulationen aus konventionellen Biogasanlagen in der Lage sind, sich an das Substrat Glykolat anzupassen und den Abbau von Glykolat in C0 ₂ und Methan in Übereinstimmung mit der Gleichung 2 zu vollziehen (Abb. 5).

Die Erfindung wird anhand folgender Ausführungsbeispiele und den Abbildungen 1 bis 6 näher erläutert:

Abb. 1 zeigt die durch die RUBISCO katalysierte Reaktionen.

Bei hohen Temperaturen und/oder bei einem hohem Sauerstoffpartialdruck bei gleichzeitig geringem C0 ₂ -Angebot wirkt das C0 ₂ -assimilierende Enzym (RUBISCO) nicht nur als Carboxylase, sondern auch als Oxygenase. Es entstehen an Stelle von zwei Molekülen nur ein Molekül Phosphoglycerinsäure sowie ein Molekül Phosphoglycol säure, wie in Abb. 1 dargestellt ist.

Die Phosphoglykolsäure wird zu Glykolat dephosphoryliert und wird über einen Transporter zunächst in das Zytoplasma und von dort in das Medium ausgeschieden (Glykolat ist ein Produkt des natürlichen Prozesses der Photorespiration. Dieser Prozess erfolgt in Chloroplasten der Zelle. Da die Photorespiration von dem Verhältnis C0 ₂ /0 ₂ abhängt, kann man das Verhältnis Carboxylierung zu Oxygenierung durch das Verhältnis C0 ₂ /0 ₂ steuern.

Abb. 2 zeigt, wie sich die Glykolatausscheidung durch die Gaszusammensetzung steuern lässt, mit der die Algen belüftet werden (Gaszusammensetzung in Vol.-%). Ein Luftgemisch, indem das 0 ₂ /C0 ₂ Mischungsverhältnis von bevorzugt 47:0,02 Volumenprozent besteht, erlaubt erfindungsgemäß eine besonders hohe Glykolatexkretion. Dazu wurden Chlamydomonas reinhardtii auf Zellulosefilter immobilisiert. Für die Methanognese wurden aus einem Biogasanlagesumpf isolierte Mikroorganismen verwendet.

\ (mg Chla)-1] = μg Glykolat pro mg Chlorophyll a.

Die durchgeführten Experimente zeigen, dass schon mit dem genetisch unveränderten Algen ohne Zusatz von Inhibitoren (hier Wildtyp von Chlamydomonas reinhardtii) Glykolatexkretionen von 30 % der photosynthetischen Gesamtleistung erzielt werden können. Das zelluläre Ausscheidungsprodukt ist ausschließlich Glykolat, Glyoxylat wird nur in Spuren gefunden. Auch andere organische Säuren werden nicht in Mengen gefunden, die Einfluss auf die Kohlenstoffbilanz des Gesamtprozesses haben. Abb. 3 zeigt, dass durch Zusatz des Hemmstoff Isoniazid (10 mmol/1) die Exkretionsraten signifikant ansteigen. Der Versuch wurde abgesehen von der Isoniazidzugabe wie unter Abb. 2 beschrieben bei 47 Vol-% 02 und 0,02 Vol-% C0 ₂ durchgeführt.

Der Einsatz des Hemmstoffs Isoniazid zeigt, dass die Exkretionsraten höher werden, wenn die zellinterne Glykolatnutzung unterbunden wird. Es ist bekannt, dass in der Zelle das gebildete Glykolat mit Hilfe der Glykolatdehydrogenase weiter zu Glyoxylat verstoffwechselt wird. In einem komplexen Reaktionsverlauf werden zwei Moleküle Glykolat letztlich zu C0 ₂ und einem C3 -Körper umgesetzt, der in die Chloroplasten zurückgeführt wird. Um die Glykolatexkretion dauerhaft hochzuhalten und die toxische Wirkung des Isoniazid zu umgehen, wird alternativ die Glykolatdehydrogenase genetisch inaktiviert.

Wenn man die Photonenbilanz für die Glykolatexkretion berechnet, erhält man folgende Photonenausbeute pro Glykolatmolekül:

Die Abb. 4 zeigt das Schema einer erfindungemäßen Vorrichtung mit dem aeroben und dem anaeroben Kompartiment (aerobe und anaerobe Zone) sowie der Membran zur Separation. Die methanogenen Mikroorganismen sind als„Bakterien" bezeichnet.

Abb. 5 zeigt dass Mikroorganismenpopulationen aus konventionellen Biogasanlagen in der Lage sind, sich an das Substrat Glykolat anzupassen und Glykolat in C0 ₂ und Methan umzusetzen.

Dazu wurden Mikroorganismenpopulationen aus konventionellen Biogasanlagen isoliert und einer Glykolatselektion unterworfen. Mikroorganismenproben aus einem Gärsumpf einer Biogasanlage wurden dazu 4 Wochen ausschließlich mit Glykolat als einziger Kohlenstoffquelle kultiviert. Die in Abb. 5 dargestellten Versuchsergebnisse zeigen, wie aus dem Gärsubstrat langsam der Stickstoff, der mit dem Gärsubstrat eingebracht wurde, entweicht und bei ausschließlicher Glykolatzugabe, das resultierende Biogas nur aus Methan und C0 ₂ in einem Volumenverhältnis von 59 :41 besteht. Andere Gase werden nur in Spuren beobachtet. Der Fermentationsprozess ist auch bei geringen Spuren von Restsauerstoff , (bis 4 %) stabil. Die Gasausbeute liegt mit (57 %) bzw. 0,24 ml CH ₄ / mg Glykolsäure sehr hoch. Auf der Grundlage dieser Gärausbeute und der in Tabelle 1 ermittelten Glykolat- exkretionsraten gelangt man zu folgender Gesamteffizienz:

Tabelle 1

Variante 1 Variante 2

Quantenbedarf pro Glykolat [μπιοΐ Quanten/μιηοΐ Glykolat] 520 1010

Jährliche Strahlungsmenge [mol quanten/m ² /a] 4.500 4500

Davon absorbierte Quanten[mol quanten/m ² /a] 4.050 4050

Produzierte Glykolatmenge [g Glykolat/m ² /a] 610 277 Methanproduktion in L

(bei einer Gärausbeute von 0,24 ml CH ₄ /mg Glykolat) 145 66

Bio-Dieseläquivalent (L Biodieselersatz/ha/a) 1.417 645

Variante 1 : mit Hemmstoff Isoniazid (10 mmol/1)

Variante 2: ohne Hemmstoff

Damit entspricht die Leistungsfähigkeit des Systems pro Fläche dem Flächenertrag des Biodiesels, der auf der Grundlage des Rapsanbaus erreicht wird. Im Unterschied zu dieser Technologie werden weder landwirtschaftliche Nutzflächen in Anspruch genommen, noch ist ein energieaufwändiger Düngebedarf erforderlich. Der Massenstrom ist nahezu stickstofffrei.

In der Abb. 6 ist eine Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Vlies als Trägermaterial, welches auf einer semipermeablen Membran aufliegt, gezeigt. In der Patentanmeldung wird folgende Nichtpatentliteratur zitiert:

Dismukes G.C. et al. Aquatic Phototrophs: efficient alternatives to land-based crops for fuels. Current Opinion in Biotechnology 19, 235-240, 2008

Edenborn H.M. et al. Glycolate metabolism by Pseudomonas sp. strain S227, isolated from a coastal marine Sediment. Mar. Biol. 88, 199-205, 1985

Friedrich, M. et al . Fermentative degradation of glycolic acid by defined Syntropie cocultures. Arch. Microbiol. 156, 398- 404, 1991

Giordano M. et al. C0 ₂ concentrating mechanisms in algae: mechanisms, environmental modulation, and evolution. Annu Rev Plant Biol. 2005; 56:99-131, 2005.

Kurz, W.G.W, and LaRue T.A.G. Metabolism of glycolic acid by Azotobacter chroococcum PRL H62. Can. J. Microbiol. 19, 321-324, 1973

Langner, U. et al. A complete energy balance for Chlamydomonas reinhardtii and Chlamydomonas acidophila under neutral and extremely acidic growth conditions. Plant Cell Environm 32: 250-258, 2009

Raven, J. A. et al. Algae lacking carbon-concentrating mechanisms. Canadian Journal of Botany, 2005, 83 :(7) 879-890, 10.1139/b05-074

Vilchez C, et al. Glycolate photoproduction by free and alginate-entrapped cells of Chlamydomonas reinhardtii . Appl. Microbiol. Biotechn. 35, 716-719, 1991