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Simultane pH-, CO2- und O2-Messung in einem Algen-Photobioreaktor

Erfolgreiche Evaluierung von pH-Durchflusszellen für den späteren Einsatz auf der Internationalen Raumstation ISS

Gisela Detrell und Jochen Keppler
Institut für Raumfahrtsysteme, Universität Stuttgart, Deutschland

Am Institut für Raumfahrtsysteme wurden mehrere Experimente mit Algen-Photobioreaktoren durchgeführt, um ein System zu entwickeln, das in Zusammenarbeit mit dem DLR und Airbus Defence and Space auf der Internationalen Raumstation getestet werden soll. Da verschiedene Parameter variiert werden können, wie etwa die Zirkulationsgeschwindigkeit der Algen, die Art und Intensität der Beleuchtung usw., muss die Leistung der Algen bewertet werden. Dies kann über die Sauerstoff (O2)-Produktionsrate und den Kohlendioxid (CO2)- Verbrauch untersucht werden. Zur Überwachung dieser Parameter werden die in Durchflusszellen integrierten PreSens O2- und CO2-Sensorspots verwendet, die mit den OXY-4 mini und pCO2 mini Messgeräten ausgelesen werden. Darüber hinaus werden in Durchflusszellen integrierte PreSens pH-Sensoren, die mit dem pH-1 mini ausgelesen werden, benutzt, um sicherzustellen, dass ein optimaler pH-Bereich für das Algenwachstum aufrechterhalten wird.

Für zukünftige bemannte Raumfahrtmissionen wird die Nutzung biologischer Technologien, beispielsweise Algen, eine wichtige Rolle bei der Schließung des Kohlenstoffkreislaufs in Lebenserhaltungssystemen spielen. Algen sind in der Lage, durch Photosynthese CO2 in O2 umzuwandeln und essbare Biomasse zu erzeugen. Bevor Algen jedoch einen Teil des Lebenserhaltungssystems darstellen können, müssen mehrere Tests durchgeführt werden, da verschiedene Konstruktionsparameter wie der Algen-Typ, das Photobioreaktor-Design oder das Licht einen großen Einfluss auf die Algenleistung im Weltraum haben. Zur Beurteilung der Wachstumsleistung der Algenkultur können verschiedene Parameter überwacht werden: O2-Produktionsrate, CO2-Verbrauchsrate und Zelldichte. Am Institut für Raumfahrtsysteme werden derzeit mehrere Tests in Breadboard-Modellen durchgeführt, um ein Experiment für die Internationale Raumstation 2018 zu entwerfen. Für diese Tests werden mehrere PreSens Sensoren verwendet: die O2-Sensorspots, erlaubt nicht-invasive Messungen der gelösten O2-Konzentration in der Algenlösung und der gasförmigen O2-Konzentration in der Atmosphäre innerhalb des Experimentbehälters; der CO2-Sensorspot, ermöglicht es gelöstes CO2 in der Algenlösung zu messen; und mit dem pH-Sensorspot, kann der pH-Wert der Algenlösung überwacht werden.

Material & Methoden

Auf der Erde werden mehrere Versuche durchgeführt, um das richtige Design für das Weltraumexperiment zu definieren, wie zum Beispiel Tests verschiedener Reaktorgeometrien oder unterschiedlicher LED-Kombinationen. Daher wurde am Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) ein Laborversuch (Abb. 1) aufgebaut. Dieser Laboraufbau enthält alle Subsysteme / Komponenten, die im Flugdesign benötigt werden:

  • Algenkultivierungsschleife (ein Reaktor, eine Pumpe und Schläuche)
  • Beleuchtung durch LED-Panels
  • Gasmanagement (CO2-Quelle, Gasaustauschmembran, O2-Entfernung)
  • Temperaturkontrolle (Kühlplatte und Belüftung)
  • Sensorische Überwachung

Die Experiment-Kammer (experimental compartment = EC) enthält eine Atmosphäre mit 7 - 9 % CO2, maximal 25 % O2 und N2. Der Druck im Inneren des EC wird durch Ablassen von überschüssiger Luft auf atmosphärischem Niveau gehalten. Diese Atmosphäre steht über eine Gasaustauschmembran mit den Algen in der Reaktorkammer in Kontakt: CO2 diffundiert in den Reaktor, die Algen "konsumieren" es und setzen O2 frei, das in das EC ausdiffundiert. Wenn der maximale O2-Wert erreicht ist, wird die Experiment-Kammer mit N2 gespült. Während CO2 von den Algen verbraucht wird, wird dem EC neues CO2 zugeführt, um das Niveau im erforderlichen Bereich zu halten. Die Algen im Reaktor werden durch Pumpen ständig in Bewegung gehalten und zirkulieren durch die Algenkultivierungsschleife. Verbunden mit dieser Schleife liefern mehrere Sensoren Informationen über die Algenleistung: CO2, O2, pH und Algendichte. Die Beleuchtung erfolgt über LED-Panels, deren Intensität während der Experimente verändert werden kann. Mehrere Temperatursensoren erlauben thermische Kontrolle, wobei ein Temperaturbereich zwischen 26,8 - 27,2 °C eingehalten wird. Schließlich ermöglicht ein Nährstoffzufuhr- und Erntegerät, die Algen mit den erforderlichen Nährstoffen zu versorgen, während ein Teil der Kultivierung zur weiteren Analyse entnommen wird. Die PreSens-Sensoren (CO2, O2 und pH) befinden sich in T-Verbindern, die in den Algenkreislauf integriert sind (Abb. 2). Darüber hinaus wurde für einige Experimente ein zusätzlicher O2-Sensor verwendet, um die Sauerstoffkonzentration in der Experiment-Kammer zu messen.

Experiment

Mehrere Experimente werden durchgeführt, um das Flugmodelldesign zu testen und zu verbessern und um das Verhalten der Algen unter verschiedenen Bedingungen besser zu verstehen. Ein Beispiel für ein solches Experiment ist die Analyse, wie sich Abwesenheit von Licht auf die Algen auswirkt. In diesem Experiment wurde das Licht für eine definierte Zeitspanne (etwa 2,5 Stunden) ausgeschaltet. Besonderes Augenmerk wurde auf die gelösten Gaskonzentrationen (O2 und CO2) und deren Entwicklung in diesem Zeitraum gelegt. Zusätzlich wurde der pH-Wert überwacht.

Ergebnisse

Abbildung 3 zeigt die Versuchsdaten. Sobald das Licht ausgeschaltet wird, kann ein deutlicher Abfall der gelösten O2-Konzentration beobachtet werden. Gleichzeitig zeigt sich ein deutlicher Anstieg der gelösten CO2-Konzentration und ein Abfall der pH-Werte. Sobald das Licht nach der Dunkelphase wieder eingeschaltet wird, steigen die gelöste O2-Konzentration und der pH-Wert wieder an, während CO2 fällt. Diese Ergebnisse zeigen eine erwartete Reaktion der Algen: während der Abwesenheit von Licht verstoffwechseln die Algen ("atmen") O2, was zu einer schnellen Abnahme des gelösten O2 führt. Gleichzeitig produzieren die Algen CO2, was eine Erhöhung der gelösten CO2-Konzentration zur Folge hat. Dadurch wiederum sinkt der pH-Wert, da CO2 sauer ist. Wenn das Licht wieder angeschaltet wird, gehen die Algen wieder in ihren normalen CO2-Stoffwechsel über. Ihre Photosyntheseaktivität führt dann zur Bildung von O2. Da die gelöste CO2-Konzentration gesenkt wird, steigen die pH-Werte wieder an.

Zusammenfassung

PreSens optische Sensoren (für CO2, O2 und pH) wurden erfolgreich zur Überwachung einer Algensuspension eingesetzt und halfen, die Photosyntheseaktivität unserer Algen besser zu verstehen. Im Flugmodell sind PreSens O2- und CO2-Sensoren jedoch nicht einsetzbar, da ein Sauerstoffsensor mit Analogsignal sowie ein CO2-Sensor für Messungen in der Gasphase benötigt werden. Die pH-Durchflusszelle hingegen wird Teil des Überwachungssystems im Photobioreaktor-Experiment sein, das 2018 zur ISS gebracht wird. Eines der in Vorversuchen durchgeführten Experimente hat die Auswirkungen der Abwesenheit von Licht auf die Algen analysiert. Aus dem Experiment ist deutlich zu erkennen, dass die Algen bei Dunkelheit ähnlich wie wir Menschen O2 atmen und CO2 produzieren. Sobald das Licht wieder angeschaltet wird, nehmen die Algen ihre erwartete Funktion für die Weltraumapplikation wieder auf: O2-Produktion aus CO2, das von Menschen freigesetzt wird.

Referenzen
[1] S. Belz, J. Bretschneider, H. Helisch, G. Detrell, J. Keppler, W. Burger, A. Yesil, M. Binnig, S. Fasoulas, N. Henn, P. Kern, H. Hartstein, C. Matthias. Preparatory Activities for a Photobioreactor Spaceflight Experiment enabling Microalgae Cultivation for supporting Humans in Space. 66th International Astronautical Congress, Jerusalem, Israel. 2015.

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