MIT-Ingenieure entwickeln Technologie zur Verhinderung von Verschmutzung in Photobioreaktoren zur CO2-Abscheidung

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Algen, die in transparenten Tanks oder Röhren gezüchtet werden, die mit Kohlendioxid versorgt werden, können das Treibhausgas in andere Verbindungen umwandeln, etwa in Nahrungsergänzungsmittel oder Kraftstoffe. Allerdings führt der Prozess zu einer Algenbildung auf den Oberflächen, die diese vernebelt und die Effizienz verringert, sodass alle paar Wochen aufwändige Reinigungsverfahren erforderlich sind.

MIT-Forscher haben eine einfache und kostengünstige Technologie entwickelt, die diese Verschmutzung erheblich einschränken könnte und möglicherweise eine viel effizientere und wirtschaftlichere Möglichkeit zur Umwandlung des unerwünschten Treibhausgases in nützliche Produkte ermöglicht.

Der Schlüssel besteht darin, die transparenten Behälter mit einem Material zu beschichten, das eine elektrostatische Ladung speichern kann, und dann eine sehr kleine Spannung an diese Schicht anzulegen. Das System hat in Tests im Labormaßstab gut funktioniert und könnte bei weiterer Entwicklung innerhalb weniger Jahre in der kommerziellen Produktion eingesetzt werden.

Die Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials in einem Artikel des frischgebackenen MIT-Absolventen Victor Leon PhD '23, der Professorin für Maschinenbau Kripa Varanasi, des ehemaligen Postdoktoranden Baptiste Blanc und der Bachelor-Studentin Sophia Sonnert veröffentlicht.

Unabhängig davon, wie erfolgreich die Bemühungen zur Reduzierung oder Eliminierung von Kohlenstoffemissionen sein mögen, wird es immer noch überschüssige Treibhausgase geben, die noch Jahrhunderte in der Atmosphäre verbleiben und sich weiterhin auf das globale Klima auswirken werden, betont Varanasi. „Dort gibt es bereits viel Kohlendioxid, daher müssen wir uns auch mit Technologien für negative Emissionen befassen“, sagt er und verweist auf Möglichkeiten, das Treibhausgas aus der Luft oder den Ozeanen oder aus ihren Quellen zu entfernen, bevor es in die Umwelt gelangt Luft überhaupt.

Wenn man an biologische Ansätze zur Kohlendioxidreduzierung denkt, denkt man zunächst meist an das Pflanzen oder Schützen von Bäumen, die tatsächlich eine entscheidende „Senke“ für atmosphärischen Kohlenstoff darstellen. Aber es gibt noch andere. „Meeresalgen sind für etwa 50 Prozent des weltweiten Kohlendioxids verantwortlich, das heute auf der Erde absorbiert wird“, sagt Varanasi. Diese Algen wachsen zehn- bis 50-mal schneller als Landpflanzen und können in Teichen oder Tanks gezüchtet werden, die nur ein Zehntel der Landfläche von Landpflanzen einnehmen.

Darüber hinaus können die Algen selbst dann ein nützliches Produkt sein. „Diese Algen sind reich an Proteinen, Vitaminen und anderen Nährstoffen“, sagt Varanasi und weist darauf hin, dass sie pro genutzter Landeinheit weitaus mehr Nährstoffe produzieren könnten als einige traditionelle landwirtschaftliche Nutzpflanzen.

Bei Anschluss an den Rauchgasauslass eines Kohle- oder Gaskraftwerks könnten Algen nicht nur von Kohlendioxid als Nährstoffquelle leben, sondern einige der Mikroalgenarten könnten auch die in diesen Emissionen enthaltenen Stickstoff- und Schwefeloxide verbrauchen. „Für jeweils zwei bis drei Kilogramm CO2 könnte ein Kilogramm Algen entstehen, die als Biokraftstoffe, für Omega-3 oder als Lebensmittel verwendet werden könnten“, sagt Varanasi.

Omega-3-Fettsäuren sind ein weit verbreitetes Nahrungsergänzungsmittel, da sie ein wesentlicher Bestandteil von Zellmembranen und anderen Geweben sind, aber vom Körper nicht selbst hergestellt werden können und über die Nahrung aufgenommen werden müssen. „Omega 3 ist besonders attraktiv, weil es auch ein viel höherwertiges Produkt ist“, sagt Varanasi.

Die meisten kommerziell gezüchteten Algen werden in flachen Teichen gezüchtet, während andere in transparenten Röhren, sogenannten Photobioreaktoren, gezüchtet werden. Die Röhren können auf einer bestimmten Landfläche sieben- bis zehnmal höhere Erträge erzielen als Teiche, sie stehen jedoch vor einem großen Problem: Die Algen neigen dazu, sich auf den transparenten Oberflächen anzusammeln, was häufige Abschaltungen des gesamten Produktionssystems zur Reinigung erforderlich macht dauern genauso lange wie der produktive Teil des Zyklus, wodurch sich die Gesamtproduktion halbiert und die Betriebskosten steigen.

Die Verschmutzung schränkt auch das Design des Systems ein. Die Rohre dürfen nicht zu klein sein, da die Verschmutzung den Wasserfluss durch den Bioreaktor blockieren würde und höhere Pumpraten erforderlich machen würde.

Varanasi und sein Team beschlossen, eine natürliche Eigenschaft der Algenzellen zur Abwehr von Bewuchs zu nutzen. Da die Zellen von Natur aus eine kleine negative elektrische Ladung auf ihrer Membranoberfläche tragen, ging das Team davon aus, dass elektrostatische Abstoßung genutzt werden könnte, um sie wegzustoßen.

Die Idee bestand darin, eine negative Ladung an den Gefäßwänden zu erzeugen, sodass das elektrische Feld die Algenzellen von den Wänden wegdrängt. Um ein solches elektrisches Feld zu erzeugen, ist ein leistungsstarkes dielektrisches Material erforderlich, bei dem es sich um einen elektrischen Isolator mit einer hohen „Permittivität“ handelt, der bei einer kleineren Spannung eine große Änderung der Oberflächenladung bewirken kann.

„Was die Leute bisher mit dem Anlegen von Spannung [an Bioreaktoren] gemacht haben, betraf leitende Oberflächen“, erklärt Leon, „aber was wir hier tun, betrifft speziell nichtleitende Oberflächen.“

Er fügt hinzu: „Wenn es leitend ist, dann lässt man Strom durch und versetzt die Zellen in gewisser Weise in einen Schockzustand. Was wir versuchen, ist reine elektrostatische Abstoßung, sodass die Oberfläche negativ ist und die Zelle negativ ist, sodass es zu einer Abstoßung kommt.“ Eine andere Möglichkeit, es zu beschreiben, ist wie ein Kraftfeld, während die Zellen zuvor die Oberfläche berührten und einen Schock erlitten.“

Das Team arbeitete mit zwei verschiedenen dielektrischen Materialien, Siliziumdioxid – im Wesentlichen Glas – und Hafnia (Hafniumoxid), die sich beide als weitaus effizienter bei der Minimierung von Verschmutzungen erwiesen als herkömmliche Kunststoffe, die zur Herstellung von Photobioreaktoren verwendet werden. Das Material kann in einer verschwindend dünnen Schicht aufgetragen werden, die nur 10 bis 20 Nanometer (Milliardstel Meter) dick ist. Daher wäre nur sehr wenig nötig, um ein vollständiges Photobioreaktorsystem zu beschichten.

„Was uns hier begeistert, ist, dass wir zeigen können, dass wir die Zelladhäsion allein durch elektrostatische Wechselwirkungen steuern können“, sagt Varanasi. „Es ist fast wie ein Ein-Aus-Schalter, dies tun zu können.“

Darüber hinaus sagt Leon: „Da wir diese elektrostatische Kraft nutzen, gehen wir nicht wirklich davon aus, dass sie zellspezifisch ist, und wir glauben, dass die Möglichkeit besteht, sie auf andere Zellen als nur Algen anzuwenden. In zukünftigen Arbeiten würden wir das tun.“ Ich würde gerne versuchen, es mit Säugetierzellen, Bakterien, Hefen usw. anzuwenden. Es könnte auch mit anderen wertvollen Algenarten wie Spirulina verwendet werden, die häufig als Nahrungsergänzungsmittel verwendet werden.

Dasselbe System könnte je nach Anwendung entweder zum Abstoßen oder Anziehen von Zellen verwendet werden, indem einfach die Spannung umgekehrt wird. Anstelle von Algen könnte ein ähnlicher Aufbau mit menschlichen Zellen verwendet werden, um künstliche Organe herzustellen, indem ein Gerüst hergestellt wird, das aufgeladen werden könnte, um die Zellen in die richtige Konfiguration zu locken, schlägt Varanasi vor.

„Unsere Studie löst im Grunde dieses große Problem des Biofoulings, das bisher ein Engpass für Photobioreaktoren war“, sagt er. „Mit dieser Technologie können wir jetzt wirklich das volle Potenzial“ solcher Systeme ausschöpfen, obwohl noch weitere Entwicklungen erforderlich sind, um sie auf praktische, kommerzielle Systeme zu skalieren.

Zur Frage, wie schnell dies für den breiten Einsatz bereit sein könnte, sagt er: „Ich sehe keinen Grund, warum nicht in drei Jahren, wenn wir die richtigen Ressourcen bekommen, um diese Arbeit vorantreiben zu können.“

Die Studie wurde vom Energieunternehmen Eni SpA über die MIT Energy Initiative unterstützt.

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