Beleuchtung

Efficiency of Sunlight Utilization: Tubular Versus Flat Photobioreactors, Auszüge
Mario R. Tredici, Graziella Chini Zittelli

Die Bedeutung des Lichtsättigungeffektes bei der Algenkultivierung im Freien wurde früh erkannt. Burlew (1953) bezeichnete dieses Phänomen in der Einführung zu seinem bekannten Buch "Algal Culture: From Laboratory to Pilot Plant" als "die Herausforderung der Lichtsättigung" und schlug zwei Strategien vor, es anzugehen: turbulente Mischung und räumliche Lichtverdünnung. Räumliche Verdünnung als ein Mittel dem Lichtsättigungseffekt und Lichtschäden wegen starkem Licht beizukommen ist eine Strategie, die von Phototrophen in der Natur üblicherweise angewendet wird. Besonders bei höheren Pflanzen, die, da sie ortsgebunden sind, viel eher mit einer exzessiven Lichtintensität klar kommen müssen als Mikroalgen. Während sich Phytoplankton in natürlichen Gewässern im Wesentlichen Ausweichstrategien aneignet (van Liere und Walsby, 1982), haben Pflanzen ein sehr komplexes Aufgebot an Reaktionen auf zu starke Lichtintensität (Long et al., 1994; Powles, 1984). Unter ihnen spielt die Reduzierung der Chloroplasten an der dem starken Licht ausgesetzten Oberfläche eine relevante Rolle.

Diese Strategie wird durch schnelle Bewegungen der Chloroplasten innerhalb der Zellen, das Ändern des Blattwinkels, Blattschwankungen oder, was viel effizienter ist, eine spezielle Dacharchitektur verwirklicht, die die einströmende PPFD (photosynthetische Photonenflußdichte) so gleichmäßig wie möglich auf die Blätter verteilt und den Anteil der Blätter, die einer PPFD über dem Sättigungsniveau ausgesetzt sind (Nobel et al., 1993; Powles, 1984), minimiert. Besonders relevant für das Ziel dieser Studie ist die Berücksichtigung, daß der Blatt-Fläche-Index (d.h. der Blattfläche pro Einheit Landfläche) oft viel größer als 1 ist (z.B. haben einige zapfentragende Kronen einen Blatt-Fläche-Index von über 15). Das bedeutet, daß Pflanzen gewöhnlich nicht senkrechte Strahlen empfangen und eine gemäßigte PPFD von ein paar hundert Mikromol Photonen pro Quadratmeter pro Sekunde an der Spitze der Krone auftreten kann, sogar bei voller Sonneneinstrahlung (Nobel et al., 1993).

Anders als Pflanzen und Phytoplankton erfahren im Freien in künstlichen Bassins oder Photobioreaktoren kultivierte Mikroalgen eine eher unnatürliche und streßreiche Situation da Turbulenzen die Zellen zu einer Vor- und Rückwärtsbewegung entlang des "Dichte"-Profils der Kultur zwingen und sie kurzzeitigen Fluktuationen der Lichtintensität von vollem Sonnenlicht bis zu vollständiger Dunkelheit aussetzen. Sobald diese an Schatten angepaßten Zellen durch Vermischen an die Oberfläche gebracht werden und einer hohen PPFD ausgesetzt werden, erreichen sie nur eine niedrigere photosynthetische Effizienz als eine zu der sie potentiell in der Lage wären und können sogar schweren Schaden nehmen (Photoinhibition). Künstliche Algenkulturen müssen daher wie terrestrische Pflanzen einen Kompromiß zwischen der Maximierung der Lichtaufnahme, um eine maximale volumetrische Produktivität zu erreichen, und der Reduzierung übermäßigen Lichtes, um eine hohe Lichtumwandlungsrate zu erhalten, eingehen.

Die in diesem Artikel beschriebenen Versuche demonstrieren, daß die Verdünnung übermäßigen Lichtes, die durch eine besondere Anordnung oder Form des Reaktors erreicht werden kann, zu einer deutlich höheren Lichtumwandlungsrate und in Folge dessen zu höherer Produktivität unter sowohl künstlicher als auch natürlicher Beleuchtung führen kann. Je höher der Verdünnungsfaktor, desto höher ist der nutzbringende Effekt der räumlichen Lichtverdünnung.