Mikroalgen

Mikroalgen sind ein zukunftsträchtiger Rohstoff für die Industrie und eine „Harte Nuss“ für die Forschung. Auf dem vierten Bundesalgenstammtisch in Hamburg diskutierten Experten aus ganz Deutschland am 3. und 4. Mai die Bedeutung der winzigen Pflanzen für den Aufbau einer „Grünen“ Wirtschaft.

Auf Einladung des Wissenschaftsverbands DECHEMA berichteten etwa 150 Experten der Mikroalgenbiotechnologie unter dem Motto „Algen - von der Grundlagenforschung zu Produkten“ über aktuelle Forschungsaktivitäten und Entwicklungen der Algenbiotechnologie in Deutschland.

Große Hoffnungen und viele offene Fragen

Mikroalgen sind aufgrund ihrer wertvollen Inhaltsstoffe ein Hoffnungsträger unter den nachwachsenden Rohstoffen. Sie enthalten große Mengen an wertvollen Proteinen, mehrfach ungesättigten Fettsäuren, Ölen, natürlichen Carotinoiden und Vitaminen. Dies macht sie zu interessanten Rohstoffen für die Nahrungsmittelindustrie, für Kosmetik, Pharmazie, Chemie und die Bioenergiebranche. Die Wirtschaft signalisiert bereits großes Interesse. Es gibt jedoch noch viele grundsätzliche Fragen zu klären. Die Algenforschung steht derzeit noch am Anfang. 

Ein Bruchteil der insgesamt etwa 40.000 bis 60.000 Mikroalgen- und 2.000 Cyanobakterienarten wurde bisher wissenschaftlich untersucht. Die chemische Zusammensetzung weniger hundert Arten ist bekannt. Gerade einmal 15 Stämme werden derzeit kommerziell genutzt (Sastre/Posten 2010). Die Genome einer Handvoll Algen sind vollständig sequenziert und geben Einblicke in die molekularen Zusammenhänge. Für die Wissenschaft gibt es somit noch viel zu entdecken. 

So vermutet man, dass Algen noch völlig unbekannte Inhaltsstoffe produzieren, aus denen ganz neue Produktlinien jenseits der etablierten Synthesechemie entwickelt werden könnten. So werden Mikroalgen zum Beispiel nach neuartigen Wirkstoffen für die Pharmaindustrie durchsucht. 

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Die Funktionalität bestimmt das Design

Bislang sind die Produktionskosten von Mikroalgen häufig zu hoch, die Produktionsmengen zu gering, um mit etablierten Herstellungsverfahren für hochwertige Wertstoffe oder auch als Energiequelle mithalten zu können. Daher stand zunächst die Frage im Mittelpunkt, wie Mikroalgen kostengünstig produziert und effizient verarbeitet werden können. 

Algen benötigen Licht für die Photosynthese. Entscheidend für eine wirtschaftliche Algenproduktion ist deshalb in erster Linie ausreichend Licht. Zwei grundlegende Arten von Algenzuchtanlagen haben sich herausgebildet: die Kultivierung der Algen in offenen Becken und die Zucht in geschlossenen Bioreaktoren aus Glas- oder Plastikrohren. Die offenen Becken setzen vergleichsweise niedrige Investitionskosten voraus, weisen jedoch eine geringere Produktivität und die Gefahr von Kontaminierungen auf sowie einen höheren Wasserbedarf. Die geschlossenen Reaktoren ermöglichen bei optimaler Lichtausbeute pro Algenzelle eine gute Produktivität und relativ hohe Zelldichten, heizen sich jedoch bei zu viel Sonnenlicht leicht auf, wodurch die Algen Gefahr laufen abzusterben. Zudem sind relativ hohe Anfangsinvestitionen nötig. 

Wie die Röhren für eine optimale Licht-/ Wärmemischung angeordnet werden können und wie eine bestmögliche Durchmischung der Algen zu erreichen ist, wurde bisher noch nicht systematisch untersucht. Das Karlsruher Institut für Technologie will diesen Fragen nun zusammen mit australischen Partnern in einer neuen Forschungsanlage in Brisbane, Australien nachgehen. Auf einem bis hundert Quadratmetern sollen verschiedene kommerziell genutzte Reaktormodelle und eigene Entwicklungen verglichen werden. 

Derzeitige Bioreaktoren bestehen häufig aus Panelen einzeln übereinander geschichteter Röhren. Je höher die einzelnen Panels sind, desto größer muss der Abstand zum Nachbarpanel sein und desto ausgeklügelter die Durchmischung der Algen, damit jede einzelne Alge ausreichend Licht zum Wachstum bekommt. Eine Lösung für dieses Problem versucht die GICON GmbH aus Dresden in Kooperation mit der Hochschule Anhalt mit der Konstruktion ihres Tannenbaumreaktors. Die pyramidenförmig angeordneten Röhren sollen eine gegenseitige Beschattung vermeiden. Ihre Forschungsaktivitäten wollen die mitteldeutschen Algenforscher weiter ausbauen. So ist der Aufbau eines Biosolarzentrums geplant im sachsen-anhaltinischen Köthen. Dort sollen die Reaktoren weiter optimiert und neue Aufschlussverfahren zur Gewinnung der wertvollen Algeninhaltsstoffe  entwickelt werden. 

Nachhaltigkeit der Algenproduktion 

Obwohl es in den vergangenen Jahren zahlreiche Fortschritte in der Algenzucht gab und bereits einige Unternehmen kommerzielle Algenzucht betreiben, ist die wirtschaftliche Bedeutung der Mikroalgen in Deutschland noch gering. 

Bisher benötigt die Algenzucht und deren Verarbeitung mehr Energie als beispielsweise aus der Algenbiomasse an Algen-Biodiesel oder Biogas gewonnen werden kann. Dies ist das Fazit einer Ökobilanz des Karlsruher Instituts für Technologie. Neben dem Energiebedarf für Zucht und Verarbeitung ist der Wasserbedarf ein wichtiges Kriterium für die Ökobilanz der verschiedenen Produktionssysteme. 

Wirtschaftlichkeit nur durch Kaskadennutzung 

Für Deutschland ist nur eine Koppelproduktion von Wertstoffen und Energie wirtschaftlich sinnvoll, darin waren sich die Konferenzteilnehmer einig. Zunächst werden dabei aus der Algenbiomasse hochwertige Rohstoffe, wie etwa Fettsäuren und Proteine, entfernt. Anschließend kann die Biomasse für die Herstellung von Biogas vergoren werden. Zum Schluss können noch Phosphor und Stickstoff aus der Restmasse gewonnen und als Dünger für die Algenzucht verwendet werden. 

Die Wirtschaft investiert 

Visionen einer Koppelnutzung wecken das Interesse verschiedener Industriezweige an den Mikroalgen. Energieunternehmen wie RWE in Niederaußem, EON Hanse in Hamburg und Vattenfall am Kraftwerk Senftenberg engagieren sich seit einigen Jahren in der Algenforschung. Nicht zuletzt auch deshalb, weil die Mikroalgen sich von CO2 aus den Kraftwerksabgasen ernähren und damit die CO2-Bilanz der Kraftwerke verbessern können. Alle drei Unternehmen betreiben Pilotanlagen, in denen Algenreaktoren erprobt werden. 

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Die Papiertechnische Stiftung aus München untersucht in einem EU-Projekt (ALBAQUA) gemeinsam mit der TU Hamburg-Harburg und Partnern aus Belgien, Slowenien und Ungarn die Potenziale gemischter Mikroalgen- und Bakterienzuchtanlagen für die Reinigung von Industrieabwässern aus der Papierherstellung. Aktuelle Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass bei der kombinierten Abwasserbehandlung mit Bakterien und Algen der Wirkungsgrad der Reinigung um mehr als 10 Prozent gesteigert werden kann, dies entspricht einer Abbaurate von über 80 Prozent. Auch hier sollen Industrieabgase als zusätzliche Nahrungsquelle für die Algen dienen und aus der Restbiomasse Bioenergie produziert werden. Auch für die Reinigung von salzhaltigen Haushaltsabwässern könnten Mikroalgen eingesetzt werden, dies demonstriert ein Forschungsprojekt der Leibniz-Universität Hannover. 

Bis 2018 könnte sich die Algenenergie wirtschaftlich rechnen, erwartet die Subitec GmbH. Um die Nachfrage dann decken zu können, wären riesige Produktionsanlagen nötig. Die Algenproduktion könnte aufs Meer ausweichen, um einer Nutzungskonkurrenz mit landwirtschaftlichen Flächen auszuweichen. Dies würde jedoch andere, vor allem auch ökologische Herausforderungen bedeuten. 

Die kleinen Wilden

Wie sich Algen für die Kultivierung „maßschneidern“ lassen, war ein weiteres Thema der Tagung. Anders als bei der Erforschung von Kulturpflanzen arbeiten die Algenforscher und –produzenten bisher fast ausschließlich mit Wildtypen. Zudem werden derzeit nur wenige Algenstämme verwendet. Die Kultivierung der wilden Winzlinge ist nämlich kompliziert. Zahlreiche Einflussfaktoren können die Produktivität der Algen beeinträchtigen, unter anderem die Lichtintensität, die Temperatur, der pH-Wert, die Durchmischungsgeschwindigkeit, Verunreinigungen und die Auswahl der geeigneten Substrate. 

Mit Hilfe der Gentechnik könnten einzelne Algenstämme optimiert werden. Zum Beispiel so, dass sie resistenter gegenüber Stressfaktoren sind, einen höheren Öl- oder Wertstoffgehalt haben oder sich besser für die weitere Verarbeitung aufschließen lassen. Eine erfolgreiche und stabile genetische Veränderung ist bislang jedoch erst bei zwei Algen gelungen: bei der Grünalge Chlamydomonas reinhardii und der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum. Weitere Arten werden dahingehend erforscht: 

• Thalassiosira pseudonana
• Cyanidioschyzon merolae
• Chlorella vulgaris
• Dunaliella salina
• Haematococcus pluvialis

Die Algenforschung steht noch vor diversen Herausforderungen und vielfach am Anfang. Und auch die wirtschaftliche Produktion von Algen-Wertstoffen und Algen-Energie wird noch ein paar Jahre auf sich warten lassen. Dennoch machte der vierte Bundesalgenstammtisch in Hamburg deutlich, dass von diesen unscheinbaren Einzellern große Potenziale ausgehen. Denn die Photosynthese betreibenden Algen gewinnen ihre Energie allein aus der Sonne und erzeugen damit eine Vielzahl bedeutender  Wertstoffe und Energie auf besonders nachhaltige Weise.