Im Bereich der Algenbiotechnologie ist es im Hinblick auf die Herstellung von Hochwertprodukten, Bulkchemikalien und Energieträgern aus wirtschaftlichen Gründen notwendig, Verfahren zu entwickeln, die die Wertschöpfung aus dem Rohmaterial Algenbiomasse durch kombinierte Wertstoffgewinnung und vollständiger Verwertung der Biomasse signifikant erhöhen. Deshalb sollen Prozessketten zum Betrieb einer Algenbioraffinerie detailliert analysiert werden. Die geplanten Untersuchungen betreffen das Screening von geeigneten Algenstämmen mit attraktivem Produktspektrum, eine frühzeitige Produktauswahl, Nährstoffrecycling und Abwasserkreisläufe sowie die integrierte Prozessoptimierung. Für eine Auslegung des Downstream Processing soll als innovative Lösung der Produktgewinnung eine prozessintegrierte Isolierung des Wertstoffs während der Algenbiomasseproduktion analysiert werden. Die Entwicklung eines Algen-Bioraffinerie-Konzepts muss durch eine Stoff- und Prozessanalytik kontinuierlich begleitet werden. Im Rahmen des beantragten Forschungsverbunds soll begleitend die Modellierung eines photo-biologischen Prozesses entwickelt werden, um so wichtige Einflussgrößen zu identifizieren und der Prozessauslegung und Maßstabsübertragung zugänglich zu machen. Die geplante Numerische Simulation wird auch auf den spatio-temporalen Massen-, Impuls- und Energietransport eingehen. Dies stellt einen neuartigen Forschungsansatz dar, um die technische Prozessoptimierung systematisch zu betreiben.
Der Redox-Zustand des Ozeans hat starken Einfluss auf das Angebot und die Stöchiometrie mineralischer Nährstoffe. Während die Zufuhr des limitierenden Nährstoffs in die Oberflächenschicht die Gesamtproduktivität kontrolliert, hängt die funktionale, taxonomische und stöchiometrische Zusammensetzung des Phytoplanktons von der Stöchiometrie des Nährstoffangebots ab. Daraus resultieren Konsequenzen für den Nahrungswert des Phytoplanktons für höhere trophische Ebenen, für Wachstum und Reproduktion des Zooplanktons und die Stöchiometrie des Nährstoffrecyclings. Das Teilprojekt B2 untersucht diese Beziehungen und sich daraus ergebende mögliche Rückkopplungen mithilfe von in-situ Messungen, Modellierung und Experimenten.
Background: Increased nutrient input into water bodies and thus increased primary production in the last century lead to an enhanced carbon input into aquatic systems. This increase in organic matter content in turn leads to strong oxygen depletion in the water bodies and therefore also to enhanced methane production. Despite intense restoration measures during the past few decades, nutrient levels in water bodies remain elevated and a good explanation for that is missing. We hypothesize that there exists a previously overlooked sediment transport mechanism which greatly enhances porewater exchange and that drives this elevated internal nutrient loading. The mechanism is driven by methane (CH4) ebullition from the sediment. As CH4 and bubble emissions occur in significant quantities within aquatic sediments worldwide, the CH4-induced transport becomes of global significance with far-reaching implications. The process potentially reduces the sediment residence time of nutrients, therefore increasing long-term and regional nutrient availability. Goal: While the presence of high levels of CH4 in porewaters is a consequence of eutrophication, eutrophication is, ironically, also a result of high CH4 concentrations in the porewater - thus providing an important feedback loop for self-sustained eutrophication. The goal is therefore, to understand driving forces of porewater exchange at the sediment surface as well as understand the implications of the presence of high CH4 concentrations on internal nutrient loading and sustained eutrophication. Approach: We will investigate the CH4- enhanced porewater exchange magnitude and dominant pathways under various forcing through laboratory testing, in situ observations and modeling exercises. The insights gained will define the key drivers of this exchange within natural waters. The results of this work will significantly impact our views on sediment processes as well as the understanding of biogeochemical cycles in aquatic systems on local, regional and global scales.