Hochdruckprobenahme und -kultivierung

Salzkavernen vereinen sauerstofffreie Bedingungen mit Drücken von bis 250 bar. Mikroorganismen leben unter diesen Bedingungen, doch wenn Sole an die Oberfläche befördert und über ein Standardventil entnommen wird, überleben die meisten von ihnen nicht. Der Druckabfall tötet die Zellen ab, noch bevor Laborarbeiten beginnen können. Eine patentierte Hochdruck-Probenahmetechnologie schließt diese Lücke. Sie ermöglicht eine sterile, anaerobe Probenahme und hält den Druck aufrecht, bis eine kontrollierte Dekompression die Zellen konserviert.

1. Warum ist die Probenahme unter hohem Druck für die Gas- und Wasserstoffspeicherung so wichtig?

2. Wie funktioniert die patentierte Hochdruckprobenahmevorrichtung?

3. Was macht die Hochdruckprobenahme produktiver als herkömmliche Methoden?

4. Können bei der Hochdruckprobenahme auch Mikroorganismen aus dem Gasstrom gewonnen werden?

5. Warum muss auf die Hochdruckprobenahme eine Hochdruckkultivierung folgen?

6. Wie bildet die Hochdruckkultivierung die Bedingungen in Salzkavernen nach?

7. Wie wird die mikrobielle Aktivität während der Hochdruckkultivierung überwacht?

8. Wo ist die Hochdruckkultivierung über die Wasserstoffspeicherung hinaus von Nutzen?

9. Was bewirken Hochdruckprobenahme und Hochdruckkultivierung gemeinsam?

Warum ist die Probenahme unter hohem Druck für die Gas- und Wasserstoffspeicherung so wichtig?

Unterirdische Speicherstätten sind in der Regel anaerobe, unter Druck stehende Umgebungen. Die dort lebenden Mikroorganismen haben sich genau an diese Bedingungen angepasst und müssen mit Vorsicht und unter Einsatz teilweise komplexer technischer Lösungen aus diesem Lebensraum entnommen werden. Wird der Druck einer solchen mikrobiellen Probe zu schnell reduziert, treten gelöste Gase aus und die Zellen platzen. Was im Labor eintrifft, ist oft eine Ansammlung toter Zellen und freier DNA. Durch Sequenzierung lässt sich aus diesem Material zwar teilweise immer noch eine (unvollständige) Artenliste erstellen, doch eine solche Liste allein gibt dem Betreiber keinen Aufschluss darüber, ob derzeit etwas aktiv ist, wächst, Wasserstoff verbraucht oder Stahl korrodiert. 

Die drei mikrobiellen Prozesse, die für Speicherbetreiber von größter Bedeutung sind, hängen alle eher von der Aktivität als vom bloßen Vorhandensein ab. Die Korrosion von Stahl wird durch Zellen angetrieben, die an der Metalloberfläche Stoffwechselvorgänge durchführen. Die Säurebildung, also die Produktion von Schwefelwasserstoff, erfordert Sulfatreduzierer, die aktiv atmen. Der Wasserstoffverlust erfordert Organismen, die gerade jetzt Wasserstoff verbrauchen, und nicht Organismen, deren DNAim Wasser vorhanden ist. Keiner dieser drei Prozesse lässt sich anhand einer Probe beurteilen, in der alles auf dem Weg nach oben abgestorben ist.

Die Hochdruckprobenahme schließt diese Lücke, indem sie die Probe in dem Zustand belässt, in dem sie vorgefunden wurde. Die praktischen Konsequenzen lassen sich leicht darlegen:

• Ein Hochdruckprobenahmeverfahren bewahrt lebende Zellen, sodass Kultivierung, physiologische Tests und Aktivitätsmessungen weiterhin möglich sind.

  
  

• Ohne Hochdruckprobenahme verzerren sich die Ergebnisse zugunsten robuster Sporenbildner und zu Lasten der druckempfindlichen Organismen, die oft am wichtigsten sind.

  
  

• Eine Hochdruckprobenahme, die keine Betriebsunterbrechung erfordert, vermeidet die Kosten, die durch die Außerbetriebnahme eines Lagerstandorts entstehen würden.

Wie funktioniert die patentierte Hochdruckprobenahmevorrichtung?

Hochdruckprobenahmevorrichtungen können direkt an die Oberflächeninfrastruktur einer Gas- oder Wasserstoffspeicheranlage angeschlossen werden. Die Flüssigkeit wird in einen geschlossenen Behälter abgesaugt, der sich bereits unter Betriebsdruck befindet, sodass die Probe weder einem Druckabfall ausgesetzt ist noch mit Luft in Kontakt kommt. Die Vorrichtung ist für Drücke bis zu 170 bar ausgelegt, was den Betriebsbereich typischer Kavernen- oder poröser Gesteinsspeicher abdeckt.

Das bedeutet, dass die Hochdruckprobenahme durchgeführt wird, während die Speicheranlage voll in Betrieb bleibt. Es muss weder eine Einspeisepause noch eine Entnahmepause eingeplant werden, und es ist keine Öffnung von Anlagenteilen notwendig. Die Probenahme lässt sich somit in regelmäßigen Abständen wiederholen, wodurch aus einer einmaligen Momentaufnahme ein Überwachungsprogramm wird. Wiederholte Hochdruckprobenahmen über eine Saison hinweg zeigen, ob sich ein Bestand ausbreitet, ob eine Behandlung gewirkt hat und ob eine Änderung des Betriebsregimes Auswirkungen unter Tage hat.

Hochdruck-Probenbehälter. Die Probenahme unter Originaldruck verhindert den Verlust druckempfindlicher und streng anaerober Organismen.

Was macht die Hochdruckprobenahme produktiver als herkömmliche Methoden?

Der messbare Unterschied liegt darin, wie viele lebende Organismen es bis ins Labor schaffen. Im Vergleich zu herkömmlichen Probenahmeverfahren erzielt das Hochdruck-Probenahmegerät bis zu achtzehnmal höhere Rückgewinnungsraten für lebende Mikroben.

Dieser Faktor ist keine labortechnische Kuriosität. Die Rückgewinnungsrate entscheidet darüber, welche Fragen überhaupt beantwortet werden können:

• Ein Hochdruckprobenahmeergebnis mit einem hohen Anteil an lebensfähigen Zellen ermöglicht die Isolierung neuartiger Stämme, die zuvor noch nie untersucht wurden.

• Seltene Organismen tauchen in einem Hochdruckprobenahme-Datensatz nur dann auf, wenn genügend von ihnen den Transport überleben – doch angesichts des exponentiellen Wachstums kann schon eine einzige Zelle einen enormen Unterschied ausmachen.

• Risikobewertungen, die auf der Hochdruckprobenahme basieren, spiegeln die aktive Lebensgemeinschaft wider und nicht etwa eine genetische Aufzeichnung all dessen, was jemals vorhanden war: DNA kann bis zu 2 Millionen Jahre lang stabil bleiben!

Wasserstoffverwertende Mikroben sind ein gutes Beispiel. Halophile Methanogene und sulfatreduzierende Bakterien, die aus salzhaltigen unterirdischen Lebensräumen beschrieben wurden, wie beispielsweise Vertreter der Gattungen Methanocalculus und Desulfohalobium, sind langsam wachsende Organismen mit engen Toleranzgrenzen. Genau diese Organismen werden bei einem groben Probenahmeverfahren aus den Aufzeichnungen entfernt.

Flasche links: patentierte Hochdruckprobenahme. Flasche rechts: herkömmliche anaerobe Probenahme. Bis zu 18-mal mehr lebende Mikroorganismen in der linken Probe.

Können bei der Hochdruckprobenahme auch Mikroorganismen aus dem Gasstrom gewonnen werden? 

Ja, das ist möglich, und genau das überrascht, denn häufig wirddavon ausgegangen, dass Mikroben nur im Wasser vorkommen. Das gleiche System wurde für die Hochdruck-Gasprobenahme angepasst, um Mikroorganismen zu erfassen, die in der Gasphase selbst mitgeführt werden. Zellen und Sporen werden mit dem Gas transportiert, setzen sich in den Rohrleitungen ab und besiedeln Oberflächen, die weit von der Stelle entfernt sind, an der sie in das System gelangt sind.

Die Hochdruck-Gasprobenahme liefert ein Bild davon, welche Mikroben sich durch die Infrastruktur bewegen, und nicht davon, was sich in einem Sumpf oder einem Senke ansammelt. Bei Fragen zu Kontaminationswegen zwischen Lagerstätten, zur mikrobiellen Belastung, die mit eingespeistem Gas in eine Anlage gelangt, oder zu Biofouling an oberirdischen Anlagen liefert die Hochdruck-Probenahme aus dem Gasstrom Antworten, die die Flüssigkeitsprobenahme nicht geben kann.

Dies ist auch für Wasserstoffprojekte von Bedeutung, die Gas aus mehreren Quellen beziehen – denn Mikroorganismen gibt es überall. Elektrolytisch erzeugter Wasserstoff, Pipeline-Gemische,Resterdgas und die Infrastrukturen selbst bringen jeweils ihre eigenen mikrobiellen „Mitreisenden“ mit, und sobald diese in einer Kavern aufeinandertreffen, lässt sich die Ursache eines Problems nur schwer rekonstruieren. Eine Hochdruckprobenahme am Einlass und am Auslass trennt das, was sich bereits im Speicher befand, von dem, was dorthin geliefert wird.

Warum muss auf die Hochdruckprobenahme eine Hochdruckkultivierung folgen?

Die Gewinnung lebender Organismen ist die erste Hälfte des Problems. Sie am Leben zu erhalten und zu beobachten, was sie tun, ist die zweite. Eine Probe, die mit dem Hochdruck-Probenahmegerät entnommen und anschließend in einer gewöhnlichen Niederdruck gezüchtet wird, wird nicht mehr unter den Bedingungen beobachtet, die sie geprägt haben. Die Wachstumsraten ändern sich, Stoffwechselprodukte verschieben sich, und die Zusammensetzung der Gemeinschaft driftet in Richtung dessen, was die Laborbedingungen begünstigen.

Die Organismen bleiben vom Aufbewahrungsort bis zum Reaktor unter Druck. Die Hochdruckkultivierung überträgt die Logik der Hochdruckprobenahme auf das Experiment selbst: Wenn das Ziel darin besteht, vorherzusagen, was in einer Höhle geschieht, muss sich der Reaktor wie eine Höhle verhalten.

Drei Hochdruck-Kultivierungsbehälter mit einem Überdruck von 100 bar unter reinem Wasserstoff. Automatisierte Temperatur- und Druckregelung mit regelmäßigen Gas- und Flüssigkeitsmessungen, die die Lagerbedingungen in Salzkavernen nachbilden.

Wie bildet die Hochdruckkultivierung die Bedingungen in Salzkavernen nach?

Eine in einem Hochdruckkultivierungsreaktor durchgeführte Kavernensimulation wird nicht aus Ersatzstoffen, sondern aus den tatsächlichen Bestandteilen des Speicherstandorts zusammengestellt. Sole aus der Kaverne liefert die flüssige Phase mit ihrem ursprünglichen Salzgehalt, pH-Wert, gelösten Nährstoffen und lebenden Mikroorganismen. Salzkernmaterial aus dem Bohrloch liefert Mineralien und Elektronendonatoren wie Sulfat aus Anhydrit. Der Salzgehalt ist kein Detail, das man nur annähernd nachbilden kann, da die halophilen Mikroorganismen, die in den Kavernen-Solen vorherrschen, sehr empfindlich auf Änderungen der Ionenstärke reagieren. Der Behälter wird anschließend mit Wasserstoff oder einem ausgewählten Gasgemisch unter Druck gesetzt und auf der Temperatur des Speicherhorizonts gehalten.

Was nun folgt, ist Geduld. Der Reaktor wird monatelang inkubiert, da die für einen Wasserstoffspeicher relevanten Umwandlungsprozesse nicht innerhalb einer Woche ablaufen und sich die Mikroben an ihre neue Laborumgebung anpassen müssen. Diese anaerobe Hochdruckinkubation kommt dem „eigenen Experiment“ des Speicherstandorts am nächsten – mit dem Unterschied, dass im Reaktor alles gemessen werden kann. Die Hochdruckkultivierung unter diesen Bedingungen zeigt, ob Wasserstoff verbraucht wird, wie schnell dies geschieht und was im Gegenzug produziert wird.

Die Versuchsanordnung kann gezielt variiert werden, um betriebliche Entscheidungen zu überprüfen:

• Eine Hochdruck-Kultivierungsreihe bei unterschiedlichen Temperaturen zeigt, wie sich saisonale Schwankungen auf die mikrobielle Aktivität auswirken.

  
  

• Die Hochdruck-Kultivierung unter verschiedenen Gasgemischen trennt den Einfluss von Wasserstoff von dem von Restmethan oder Kohlendioxid.

  
  

• Parallele Hochdruck-Kultivierungsbehälter mit und ohne Feststoff zeigen, inwieweit das Gestein oder das Salz dazu beiträgt.

  
  

Wie wird die mikrobielle Aktivität während der Hochdruckkultivierung überwacht?

Die Überwachung erfolgt während der gesamten Inkubationszeit und nicht nur am Ende. Mittels Gaschromatographie (GC) wird die Zusammensetzung der Gasphase verfolgt, wodurch der Wasserstoffverbrauch sowie das Auftreten von Methan oder Schwefelwasserstoff erfasst werden. Mit Hilfe der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) werden organische Säuren in der Flüssigkeit quantifiziert. Die Mikroskopie ermöglicht einen direkten Einblick in die Zellzahlen, die Morphologie oder die Biofilmbildung. 

Am Ende eines Hochdruckkultivierungslaufs wird mittels 16S-Profiling ermittelt, welche Organismen dominierend wurden. Erst diese Kombination macht das Ergebnis verwertbar: Die chemischen Messungen geben Aufschluss darüber, in welchem Umfang eine Umwandlung stattgefunden hat, und das Profiling zeigt, welche Organismen dafür verantwortlich waren. Regelmäßige Probenahmen während der Hochdruckkultivierung erfassen zudem Übergänge, die bei einer einzelnen Endpunktmessung übersehen würden, wie beispielsweise einen frühen Anstieg der Sulfatreduktion, gefolgt von einer langsamen methanogenen Phase. Hier sind die Raten wichtiger als die Gesamtwerte. Ein Speicher, der in den ersten Wochen nach der Einleitung einen festen Anteil seines Wasserstoffs verliert und sich dann stabilisiert, erfordert eine andere Reaktion als einer, der über den gesamten Zyklus hinweg stetig Wasserstoff verliert, und nur eine Zeitreihe über einen langen Hochdruck-Kultivierungslauf hinweg kann diese beiden Fälle unterscheiden.

Wo ist die Hochdruckkultivierung über die Wasserstoffspeicherung hinaus von Nutzen?

Druck ist nicht nur ein Hindernis, das es zu überwinden gilt. Für manche Organismen ist er ein Vorteil. Erhöhter Druck steigert die Gaslöslichkeit, was bedeutet, dass Zellen, die sich von Wasserstoff oder Kohlendioxid ernähren, mehr Substrat zur Verfügung steht, und mehrere gasumwandelnde Kulturen erzielen unter Hochdruckbedingungen bessere Wachstumserträge als bei atmosphärischem Druck.

Das eröffnet biotechnologische Anwendungsmöglichkeiten weit über den Energiesektor hinaus:

• Die Hochdruckkultivierung gasfermentierender Stämme kann die Produktivität in Prozessen verbessern, die durch den Gastransfer begrenzt sind.

  
  

• Stämme aus tiefen Lebensräumen verweigern oft jegliches Wachstum ohne Hochdruckkultivierung, wodurch sie für herkömmliche Screening-Verfahren unerreichbar bleiben.

  
  

• Die Prozessentwicklung auf der Grundlage von Daten aus der Hochdruckkultivierung lässt sich direkter auf unter Druck stehende industrielle Reaktoren übertragen.

Was bewirken Hochdruckprobenahme und Hochdruckkultivierung gemeinsam?

Im Zusammenspiel verwandeln Hochdruckprobenahme und Hochdruckkultivierung einen Speicherort von etwas, das man nur beschreiben kann, in etwas, das man untersuchen kann. Die Probenahme bringt eine noch lebende Mikrobengemeinschaft zum Vorschein. Die Hochdruckkultivierung versetzt diese Lebensgemeinschaft wieder in ihre ursprünglichen Bedingungen zurück und lässt sie sich selbst entfalten. Betreiber von Wasserstoffspeicherprojekten erhalten eine Antwort auf die wirtschaftlich entscheidende Frage, wie viel Wasserstoff die dort ansässigen Mikroben über einen Speicherzyklus hinweg umwandeln und was sie dabei produzieren.

Der Wert der Hochdruckprobenahme und der anaeroben Hochdruckinkubation liegt darin, dass beide das Rätselraten aus einem System beseitigen, das niemand direkt beobachten kann. Wasserstoffverzehrende Mikroben verhalten sich bei 170 bar anders als in einem Laborgefäß, und nur ein Arbeitsablauf, der den Druck durchgehend aufrechterhält, macht diesen Unterschied sichtbar.