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Das Sonnenlicht für die Algenzucht mit Leuchtstoffen optimieren

Für manche Menschen sind Algen nur die Ursache für die Verschmutzung der Aquarienglasscheiben. Aber Algen sind inzwischen auch in großem Umfang als Nutzpflanzen, Biomasselieferanten, Kohlendioxidspeicher sowie als bioverträgliche Grundlage für Nahrungsergänzungsmittel, Kosmetika und Pharmazeutika im Einsatz.

Doch gerade die Zucht jener Algen, die in Kosmetika oder Pharmazeutika eingesetzt werden, ist oft aufwendig und teuer. Forschern der Universitäten Jena und Erlangen-Nürnberg, des Jenaer Instituts für Photonische Technologien und des Bayerischen Zentrums für Angewandte Energieforschung ist es jetzt gelungen, durch Materialveränderungen effizientere Algenreaktoren zu entwickeln. Ihre Forschungsergebnisse sind in der renommierten Online-Fachzeitschrift "Nature Communications" erschienen (DOI: 10.1038/ncomms3047).

Algen werden heutzutage für ihre industriellen Anwendungen in Photobioreaktoren, sogenannten Algenreaktoren, kultiviert. In diese Reaktoren wird Kohlendioxid (CO2) und Sonnenlicht durch Photosynthese in Sauerstoff oder andere Gase sowie pflanzliche Biomasse umgewandelt. Die in der Natur perfekt funktionierende Methode ist im Reaktor bei weitem nicht so effizient.

Das Team um den Jenaer Materialforscher Prof. Dr.-Ing. Lothar Wondraczek hat nun einen Reaktor entwickelt, in welchem ein Teil des einfallenden Sonnenlichts so umgewandelt wird, dass seine spektralen Eigenschaften dem Lichtbedarf der Algen besser angepasst sind. Die Materialforscher setzen dabei auf das Prinzip, nach dem die für die Photosynthese verantwortlichen grünen Farbstoffe der Pflanze rotes Licht effizienter nutzen können. Sie haben Leuchtstoffe, wie sie beispielsweise aus modernen Fernseh-Displays bekannt sind, so in den Reaktor integriert, dass der grüne Lichtanteil in Rotlicht umgewandelt wird.

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Prof. Dr.-Ing. Lothar Wondraczek mit einem Versuchsaufbau in einem Labor im Otto-Schott-Institut für Materialforschung der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Ihm ist es gemeinsam mit Kollegen gelungen, durch Materialveränderungen effizientere Algenreaktoren zu entwickeln. (Bild: Jan-Peter Kasper/FSU)

Der Reaktor ist dabei ähnlich dünn wie ein Solarpanel und kann beispielsweise in Dächer oder Fassaden integriert werden. Glas dient hier als Substrat, auf das die Leuchtstoffe kristallinen Ursprungs aufbeschichtet werden. "Glas spielt in derartigen hochwertigen Reaktoren vor allem aufgrund seiner Langzeitbeständigkeit, seiner optischen Eigenschaften und seiner Umweltverträglichkeit eine entscheidende Rolle", betont Wondraczek. Ob ihre Forschung auch in der Praxis funktioniert, das haben die Material-Experten an der Blutregenalge 2Haematococcus pluvialis" getestet. "In unserem Reaktor wächst sie schneller und produziert mehr Sauerstoff", fasst Prof. Wondraczek das positive Ergebnis zusammen.

"Das Reaktorkonzept ist aber nicht allein dafür gedacht, Biomasse zu erzeugen", erläutert der Wissenschaftler von der Universität Jena die möglichen Anwendungen. "Hauptziel unserer Arbeiten ist vor allem die biologische Synthese von Feinchemikalien, zum Beispiel für biologische Farbstoffe, Nahrungsergänzungsmittel oder Kosmetika", erläutert Wondraczek und ergänzt: Zudem sei das Konzept gerade für Gegenden mit, im Vergleich zum sonnenverwöhnten Süden, geringerer Sonneneinstrahlung geeignet. Ein weiterer Vorteil der Innovation: Sie ist in geschlossenen Räumen - im Weltall oder unter künstlicher Beleuchtung - anwendbar.

Seine wissenschaftliche Zukunft sieht Prof. Wondraczek aber nicht im Reaktorenbau. Er erforscht glasbasierte Flachbett-Reaktoren und beschäftigt sich aktuell damit, "das Photonenmanagement in den Reaktoren zu optimieren". Dafür werden an seinem Lehrstuhl neue Werkstoffe und funktionelle Beschichtungen, aber auch Konzepte zur verbesserten Steuerung des Lichteinfalls entwickelt.

Original-Publikation:
Lothar Wondraczek, Miroslaw Batentschuk, Markus A. Schmidt, Rudolf Borchardt, Simon Scheiner, Benjamin Seemann, Peter Schweizer, Christoph J. Brabec: Solar spectral conversion for improving the photosynthetic activity in algae reactors. Nature Communications, DOI: 10.1038/Nncomms3047, http://www.nature.com/naturecommunications

Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Lothar Wondraczek
Otto-Schott-Institut für Materialforschung der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Fraunhoferstr. 6
07743 Jena
E-Mail: lothar.wondraczek@uni-jena.de

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