Biologie

SpiruLAB - Bioökonomie mit der Mikroalgenraffinerie

Inhalt des Schülerkurses

In diesem Schülerkurs lernen die teilnehmenden Schüler:innen einen Verfahrensprozess zur Wertschöpfung biologischer Ressourcen am Beispiel der Kultivierung von Mikroalgen in einem kleinskaligen Bioreaktor kennen. Im Kontext von Nachhaltigkeit und Bioökonomie soll dabei besonders herausgestellt werden, dass mittels biotechnologischer Verfahren mikroalgenbasierte Produkte in großen Mengen hergestellt werden können, die dann in vielerlei Hinsicht Verwendung finden, beispielsweise als Lebensmittelfarbstoff, Superfood oder regenerative Energiequelle.

Einführungsworkshop

Im theoriegeleiteten Teil des Einführungsworkshops wird zunächst der Weg der Mikroalgen aus dem natürlichen Habitat hin zur Laborkultur im Bioreaktor nachgezeichnet sowie auf deren Potenziale in technischen Anlagen und die Rolle als nachwachsender Rohstoff in Bezug auf die CO2-Fixierung/-Reduzierung und Stickstoffelimination eingegangen. Weiterhin stehen in der Einführung neben den physiologischen Grundlagen der verwendeten Mikroalge, die "natürlichen" biotischen und abiotischen Umweltfaktoren wie auch die Kulturanforderungen in Bezug auf die Schaffung und Einstellung der Umgebungsbedingungen für die Kultivierung im Fokus.

Im praxisorientierten Teil werden die Voraussetzungen für die Inbetriebnahme der Mikroalgenraffinerie geschaffen. Nach einem Bauplan wird die solarbetriebene Rühreinheit zusammengebaut und getestet, die Nährsalzlösung1 vorbereitet, der pH-Wert des Nährmediums1 eingestellt und mit der Starterkultur angeimpft. Als grundlegende Bestimmungsmethode wird in die Mikroskopie sowie in das praktische Arbeiten mit einem Durchlichtmikroskop1 und/oder mit dem zur Verfügung gestellten Mikroskopaufsatz für Smartphones eingeführt und praktisch geübt.

1 nur nach vorheriger Absprache und in Verantwortung der Fachlehrer:innen; alternativ wird das flüssige Nährmedium vorbereitet bereitgestellt

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Betriebsphase

Die drei- bis vierwöchigen Betriebsphase zielt auf die Vermehrung der Mikroalgen ab, die von den Teilnehmer:innen mit geringen Zeitaufwänden pro Tag prozessanalytisch begleiten werden muss. Im digitalen Labortagebuch werden täglich diverse Parameter protokolliert und es wird eine tägliche Fotodokumentation zum Algenwachstum angefertigt. Ab dem achten Versuchstag - und dann aller vier Tage - wird der pH-Wert der Suspension bestimmt und eine Probe mikroskopisch mit dem BTU-Mikroskopaufsatz für das eigene Smartphone untersucht. In der Betriebsphase erhalten die Teilnehmer:innen zweimal die Möglichkeit an einem Online-Seminar zum Thema teilzunehmen. Die Seminare bieten Raum um Fragen zu stellen, Probleme anzusprechen und in den Austausch zu treten. Weiterhin werden in jedem Seminar die nächsten notwendigen Schritte besprochen.

Zum Ende der Betriebsphase erfolgt die Zellabtrennung, der Zellaufschluss sowie unter Anwendung eines Extraktionsverfahrens die Wertschöpfung des Ausgangsstoffes am Beispiel der Gewinnung eines Farbstoffs.

Abschlusspräsentation

Im Rahmen einer Abschlusspräsentation soll jede Teilnehmerin und jeder Teilnehmer über den eigenen Kultivierungsverlauf sowie dessen Ergebnisse informieren und so einen Vergleich ermöglichen. Aufgrund unterschiedlicher Standortfaktoren, äußeren Einflüsse und nicht zuletzt durch unterschiedliche Arbeitsweisen sind voneinander abweichende Ergebnisse zu erwarten. In einer 15-minütigen Gruppendiskussion werden im Anschluss an die Präsentationen die Erfolgsfaktoren für eine optimale Kultivierung herausgearbeitet.
Im Anschluss erhalten die Teilnehmer:innen, die nochmalig in Eigenregie einen Kultivierungsversuch beginnen möchten, Tipps und entsprechende Bezugsquellen für die Beschaffung der verbrauchten Materialien und Chemikalien.

Ablauf des Schülerkurses

Das Kursangebot gliedert sich grundlegend in die drei Veranstaltungsphasen: Einführungsworkshop mit Praxisanleitung, einer drei- bis vierwöchigen Betriebsphase mit zwei Online-Sprechstunden und einem finalen Workshop mit Ergebnispräsentation. Inwieweit die Schüler:innen nach dem Einführungsworkshop verpflichtend teilnehmen müssen oder  - nach eigener Interessenslage - freiwillig teilnehmen können, obliegt der Entscheidung der Fachlehrer:innen.

Vorbemerkung

Dieses Kursangebot ermöglicht praktische Laborarbeit im Rahmen des Distanzunterrichts oder  – wie gewohnt – in den Fachräumen der Schule, mit oder ohne Präsenz des ´Science on Tour`-Teams. In Abhängigkeit vom gewählten Veranstaltungsformat zeichnet sich dieser Schülerkurs entweder durch einem geringeren oder durch einen höheren Praxisanteil sowie durch die begleitende Betreuung in Form einer (Video-)Vorlesung zur Einführung in das Thema, Video-Sprechstunden und Tutorials aus. Sofern dieser Schülerkurs nicht in Präsenz des Science on Tour-Teams stattfinden kann, werden die jeweiligen Veranstaltungen und Gruppentreffen in Form von Videokonferenzen durchgeführt. Die Schüler:innen können sowohl im geschlossenen Klassenverband im Fachraum an ihrer Schule als auch im Distanzunterricht vor/mit dem eigenen Endgerät zunächst passiv (ohne Zuschaltung von Mikrofon und Kamera) teilnehmen. Im praktischen Veranstaltungsteil der Einführungsveranstaltung sowie in den Gruppentreffen werden sowohl die Benutzung der Mikrofone als auch der Kameras ermöglicht. Insbesondere in den praktischen Veranstaltungsteilen wird die Nutzung der Kamera empfohlen, da nur dann eine aktive Hilfestellung gewährleistet werden kann.

Ablauf Einführungsworkshop

Der Einführungsworkshop findet im Klassenverband und im Rahmen des Unterrichts statt. Nach einer Einführung in das Thema wird in den praxisorientierten Veranstaltungsteil übergeleitet. In diesem stehen die Inbetriebnahme des Bioreaktors und die Bedienung des Smartphone-Mikroskops im Vordergrund. Je nachdem wie die entsprechenden Teilnahmevoraussetzungen sind, werden die Teilnehmer:innen in Untergruppen für einen sich anschließenden Stationskreislauf aufgeteilt oder die praktische Arbeit findet synchron im Klassenverband statt. Insofern der Einführungsworkshop im Distanzunterricht stattfinden wird, ist eine Bereitstellung der Arbeitsmaterialien durch das Aushändigen dieser  - über die "Verteilstation Schule" -  im Vorfeld des Kurses erforderlich.

Ablauf Betriebsphase

Der Betrieb des Algenreaktors kann entweder zu Hause oder auch in den schulischen Räumen in Eigenregie erfolgen. Während der Betriebsdauer finden tägliche Protokollroutinen statt. Sofern die Teilnahme in dieser Phase für die Schüler:innen verpflichtend ist, werden zwei im Vorfeld vereinbarte online-Seminaree im Klassenverband angeboten. Führen die Schüler:innen den Kurs aus eigenem Interesse fort, dann können die Schüler:innen an einem der regelmäßig angebotenen Online-Seminare - ggf. zusammen mit anderen Interessierten außerhalb der eigenen Schulcommunity - teilnehmen.

Ablauf Abschlusspräsentation

Zu einem festgelegten Zeitpunkt - nach der drei - vierwöchigen Betriebsphase - erhält jede(r) Teilnehmer:in die Gelegenheit, in einer kurzen Online-Präsentation im Rahmen einer Videokonferenz über die Betriebsphase und die eigenen Ergebnisse zu berichten. Die Art und Weise der Präsentation ist freigestellt. Es eignen sich Powerpoint-Präsentationen, Poster oder auch Videoclips. Pro Teilnehmer:in stehen ca. drei Minuten für die Vorstellung und zwei Minuten für Rückfragen und die Diskussion zur Verfügung.

Bereitstellung der Materialien

Für dieses Kursangebot werden weitestgehend alle notwendigen Arbeitsmaterialien kostenfrei bereitgestellt. Nach der Beendigung des Kurses dürfen die Materialien gern für nachfolgende  - eigene - Versuchsvorhaben weiterhin verwendet werden. Besteht kein Bedarf an einer weiteren Verwendung, bitten wir um Rücksendung der Materialien, sodass wir diese  - im Sinne der Nachhaltigkeit und Weiterverwendung - wieder anderen Teilnehmer:innen zur Verfügung stellen können.

Regulär stellen wir die Materialien - verpackt in einzelnen Experimentiersets - über die "Verteilstation Schule" in individueller Absprache mit den verantwortlichen Fachlehrer:innen bereit. In Abhängigkeit des gewählten Veranstaltungsformats variiert der Umfang der benötigten Materialien.

Das Experimentierset ist bereits umfangreich ausgestattet. Aus Kosten- und aus logistischen Gründen können wir jedoch nicht alle benötigten Materialien wie eine Küchenwaage, eine dicht verschließbare Kunststoffdose und Küchentücher für die Betriebsphase zur Verfügung stellen. Wir gehen davon aus, dass diese Materialien in der Regel im Haushalt vorhanden sind oder ausgeliehen werden können. Für die Anfertigung von mikroskopischen Aufnahmen liegt dem Experimentierset ein eigens entwickelter Mikroskopieraufsatz für das eigene Smartphone (oder ggf. Tablet) bei. Alternativ kann evtl. seitens der Schule - als Ausleihe oder in der Schule selbst - ein Durchlichtmikroskop zur Verfügung gestellt werden.

Den Abschluss der Betriebsphase bildet die Extraktion eines Farbstoffs. Für den Extraktionsvorgang ist die Benutzung eines Tiefkühlschranks bzw. -fachs erforderlich.

Wichtige Informationen

Kostenkeine
FachgebietBiotechnologie
ZielgruppeSekundarstufe II
Teilnehmer/Gruppenstärke~ 20 Teilnehmer:innen
Erforderliche Vorkenntnisse:Verhalten im Labor | Belehrung im Umgang mit biologischen und chemischen Stoffen
VeranstaltungsformenDistanzunterricht | ONLINE-Präsenzkurs in der Schule im Klassenverband oder für den schulischen Regelbetrieb
VeranstaltungsformatLIVE-Videokonferenz (praktische Arbeit in Breakout-Räumen für Stationsarbeit oder synchron im Klassenverband) oder vor Ort
VideokonferenztoolFavorisiertes Videokonferenztool: BigBlueButton (Zugang kann gestellt werden) | Alternative Konferenzsysteme sind nach Rücksprache möglich
Technische Voraussetzungen Fachraum für Präsenzveranstaltungen mit Science on Tour vor OrtFachraum Biologie oder Chemie wünschenswert | mindestens 4 Steckdosen im Zimmer verteilt | mehrere Verlängerungskabel sollten vorhanden sein | Wasseranschluss
Technische Voraussetzungen Online-Präsenz von Science on Tour in der SchuleElektronisches Whiteboard oder Videoübertragung per Beamer auf eine großformatige Projektionsfläche im Fachraum bzw. Ausstattung der Schülerarbeitsplätze mit PC oder mobilen Endgeräten | Lautsprecher zur Übertragung des Audiosignals der Videokonferenz in den Raum | Internetanschluss (Breitband) | ggf. Steckdosen an den Schülerarbeitsplätzen zur Stromversorgung schülereigener Endgeräte während des Schülerkurses | Möglichkeit für telefonisches Troubleshooting während der Veranstaltung
Technische Voraussetzungen DistanzunterrichtPC, Laptop oder mobile Endgeräte | Lautsprecher zur Übertragung des Audiosignals der Videokonferenz | Internetanschluss (Breitband) | Aktuelle Browsersoftware
Technikbriefing/-checkONLINE-Präsenzkurs in der Schule im Klassenverband: zu einem individuell vereinbarten Termin im Vorfeld (ca. 14 Tage) mit der Lehrkraft, die den Schülerkurs betreuen wird | Distanzunterricht: Technikbriefing in der Verantwortung der Lehrkraft (Testzugang kann gestellt werden)
Vorbereitungszeit im FachraumONLINE-Präsenzkurs in der Schule im Klassenverband:~ 30 Minuten bzw. nach Vereinbarung vor Beginn der Veranstaltung ohne Teilnehmer:innen im Fachraum | Distanzunterricht: nicht notwendig | Präsenzkurs: 45 Minuten (ohne Schüler:innen)
Dauer der Veranstaltungca. 2,5 Stunden (ohne Pause)
Betreuende Fachlehrer:inTeilnahme sowohl im (Online-)Präsenzkurs im Klassenverband in der Schule als auch im Rahmen des Distanzunterrichts erforderlich
Geeignet für Messennach Rücksprache
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