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

Erfolgreiche Evaluierung von pH-Durchflusszellen für den sp?teren Einsatz auf der Internationalen Raumstation ISS

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 k?nnen, wie etwa die Zirkulationsgeschwindigkeit der Algen, die Art und Intensit?t 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 ?berwachung dieser Parameter werden die in Durchflusszellen integrierten PreSens O₂- und CO₂-Sensorspots verwendet, die mit den OXY-4 mini und pCO₂ mini Messger?ten 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 Schlie?ung 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 k?nnen, müssen mehrere Tests durchgeführt werden, da verschiedene Konstruktionsparameter wie der Algen-Typ, das Photobioreaktor-Design oder das Licht einen gro?en Einfluss auf die Algenleistung im Weltraum haben. Zur Beurteilung der Wachstumsleistung der Algenkultur k?nnen 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 gel?sten O₂-Konzentration in der Algenl?sung und der gasf?rmigen O₂-Konzentration in der Atmosph?re innerhalb des Experimentbeh?lters; der CO₂-Sensorspot, erm?glicht es gel?stes CO₂ in der Algenl?sung zu messen; und mit dem pH-Sensorspot, kann der pH-Wert der Algenl?sung 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 enth?lt alle Subsysteme / Komponenten, die im Flugdesign ben?tigt werden:

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

Die Experiment-Kammer (experimental compartment = EC) enth?lt eine Atmosph?re mit 7 - 9 % CO₂, maximal 25 % O₂ und N₂. Der Druck im Inneren des EC wird durch Ablassen von überschüssiger Luft auf atmosph?rischem Niveau gehalten. Diese Atmosph?re 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. W?hrend 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 st?ndig 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 Intensit?t w?hrend der Experimente ver?ndert werden kann. Mehrere Temperatursensoren erlauben thermische Kontrolle, wobei ein Temperaturbereich zwischen 26,8 - 27,2 °C eingehalten wird. Schlie?lich erm?glicht ein N?hrstoffzufuhr- und Ernteger?t, die Algen mit den erforderlichen N?hrstoffen zu versorgen, w?hrend 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 zus?tzlicher 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 gel?sten Gaskonzentrationen (O₂ und CO₂) und deren Entwicklung in diesem Zeitraum gelegt. Zus?tzlich wurde der pH-Wert überwacht.

Abbildung 3 zeigt die Versuchsdaten. Sobald das Licht ausgeschaltet wird, kann ein deutlicher Abfall der gel?sten O₂-Konzentration beobachtet werden. Gleichzeitig zeigt sich ein deutlicher Anstieg der gel?sten CO₂-Konzentration und ein Abfall der pH-Werte. Sobald das Licht nach der Dunkelphase wieder eingeschaltet wird, steigen die gel?ste O₂-Konzentration und der pH-Wert wieder an, w?hrend CO₂ f?llt. Diese Ergebnisse zeigen eine erwartete Reaktion der Algen: w?hrend der Abwesenheit von Licht verstoffwechseln die Algen ("atmen") O₂, was zu einer schnellen Abnahme des gel?sten O₂ führt. Gleichzeitig produzieren die Algen CO₂, was eine Erh?hung der gel?sten 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 Photosyntheseaktivit?t führt dann zur Bildung von O₂. Da die gel?ste CO₂-Konzentration gesenkt wird, steigen die pH-Werte wieder an.

Zusammenfassung

PreSens optische Sensoren (für CO₂, O₂ und pH) wurden erfolgreich zur ?berwachung einer Algensuspension eingesetzt und halfen, die Photosyntheseaktivit?t 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 ben?tigt werden. Die pH-Durchflusszelle hingegen wird Teil des ?berwachungssystems 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 ?hnlich 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.