Powered by

Nachhaltig produzierte Chemikalien durch den Einsatz von Mikroalgen

Viele Chemikalien die täglich in Schmiermitteln oder Waschpulver zum Einsatz kommen, werden aus fossilem Rohöl gewonnen. Da dieser Rohstoff aber begrenzt ist und die Reserven langsam aber sicher zur Neige gehen, ist es wichtig, geeignete Ersatzstoffe zu finden. Nur so können dringend gebrauchte Arbeitsmaterialien auch weiterhin zur Verfügung stehen. Sandra Heß von der Universität Konstanz arbeitet deshalb an einem interdisziplinären Dissertationsprojekt, das die Gewinnung von Kunststoffen, Schmierfetten oder Tensiden aus Algenöl erforscht.

Der Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft arbeitet bereits seit einigen Jahren an der Erforschung erneuerbarer Rohstoffe. Dabei lag der Fokus zunächst auf Pflanzenölen, die aus Raps oder Sonnenblumenkernen gewonnen werden. Diese enthalten viele ungesättigte Fettsäuren, die wertvolle Doppelbindungen aufweisen. Mithilfe der isomerisierenden Alkoxycarbonylierung können diese zu einem linearen Diester umgewandelt werden, aus dem zusammen mit einem Diol ein neuer, erdölfreier Kunststoff gewonnen wird.

Leider werden aber für die Gewinnung von Raps- und Sonnenblumenöl landwirtschaftliche Anbauflächen benötigt, die in direkter Konkurrenz zum Nahrungsmittelanbau stehen können. Aus diesem Grund sollte das erprobte Verfahren auf Algenöl ausgeweitet werden, wofür eigens eine Kooperation mit dem Lehrstuhl für Ökophysiologie ins Leben gerufen wurde. Der Vorteil des Algenöls liegt darin, dass für die Algenkultivierung keine ländlichen Anbauflächen gebraucht werden, es im Jahreszyklus zu weniger Schwankungen kommt und dass die Algen nicht auf Süßwasser angewiesen sind, sondern sehr gut im Salzwasser gedeihen. Algen produzieren außerdem einzigartige Fettsäuren, die in Pflanzen nicht vorhanden sind.

Glossar

  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Gentechnik ist ein Sammelbegriff für verschiedene molekularbiologische Techniken. Sie ermöglicht, DNA-Stücke unterschiedlicher Herkunft neu zu kombinieren, in geeigneten Wirtszellen zu vermehren und zu exprimieren.
  • Lipide sind Fette und fettähnliche Substanzen.
  • Fettsäuren sind Carbonsäuren (organische Säuren) die oft aus langen, unverzweigten Kohlenstoffketten bestehen. Sie können entweder gesättigt oder ungesättigt sein und sind Bestandteil von Fetten und Ölen.
  • Unter Photosynthese wird die Erzeugung hochmolekularer energiereicher Verbindungen (Glukose) aus einfachen Molekülen (Kohlendioxid, Wasser) verstanden, wobei beträchtliche Mengen Sauerstoff entstehen. Chlorophyllhaltige Organismen (höhere Pflanzen, Algen, phototrophe Bakterien) nutzen dafür die Sonnenlichtenergie.
  • Fossile sind aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit stammende Überreste von Tieren oder Pflanzen.

Aufspaltung der Algenzelle durch Ultraschall

Die Dissertation von Sandra Heß setzt sich mit der Umwandlung von Algenöl in nutzbare Chemikalien auseinander. © Friederike Schütze

Die Algen, mit denen an der Universität Konstanz geforscht wird, sind genügsame Einzeller. Sie betreiben Photosynthese, wodurch ihr Anbau gleichzeitig einen Beitrag zur CO2-Fixierung leistet. Zudem enthalten Algenzellen ein Drittel mehr Fett als zum Beispiel Rapssaat, was ihre Ergiebigkeit erheblich steigert. „Für den Anbau der Algen benötigt man lediglich Licht, Kohlenstoffdioxid und Salzwasser", erklärt Sandra Heß, die sich im Rahmen ihres Dissertationsprojekts intensiv mit den Algen auseinandersetzt. Für ihre Forschung kommt die Mikroalge Phaeodactylum tricornutum zum Einsatz, die durch ihren hohen Lipidanteil und ihr schnelles Wachstum auffällt. Die Mikroalge lässt sich durch die Regulierung einfacher Parameter wie Lichtverhältnisse, Temperatur oder Salzgehalt so modifizieren, dass die Fettsäuren in den Zellen die optimale Zusammensetzung zur Rohölgewinnung entwickeln.

Geerntet werden die Fettsäureverbindungen dann per Zentrifuge. Um an die Lipide in den Zellen zu kommen, werden die Algen mittels Ultraschall zerstört und das Algenöl mit organischen Lösungsmitteln extrahiert. Dieses enthält nicht nur Lipide, sondern auch Chlorophyll, was die grüne Farbe des neu gewonnenen Rohstoffs erklärt. Das so gewonnene Öl kann für vielseitige Zwecke eingesetzt werden.

Interdisziplinäre Forschung eröffnet neue Möglichkeiten

Charakteristisch für das Algenöl ist die grüne Farbe, die sich durch das Chlorophyll im Rohstoff erklären lässt. © Sandra Heß

Bisher wurde das Algenöl hauptsächlich daraufhin getestet, ob es sich für die Produktion von Kunststoffen eignet. Doch die Einsatzfähigkeiten sind wesentlich vielseitiger. „Im Rahmen meines Dissertationsprojekts geht es darum zu erforschen, wie die Fettsäuren durch andere chemische Reaktionen noch weiter nutzbar gemacht werden können", erklärt Sandra Heß. Die Möglichkeiten scheinen hier fast unendlich. So soll das Algenöl in Zukunft für Tenside, Schmiermittel und Farbstoffe zum Einsatz kommen, die bisher aus Erdöl produziert werden. Da Erdöl als fossiler Rohstoff eines Tages aufgebraucht sein wird, ist es wichtig, rechtzeitig nach Alternativen zu suchen. Aufgrund der einzigartigen Fettsäurestrukturen in den Algen ist es außerdem möglich ganz neue Verbindungen herzustellen.

Aus diesem Grund arbeiten an der Universität Konstanz die Fachbereiche Chemie und Biologie eng zusammen, um effiziente Ergebnisse zu liefern. So werden die Algen in der Biologie kultiviert, wo auch Experimente dazu stattfinden, welche Licht- und Temperaturverhältnisse für das Wachstum der Einzeller optimal sind. Außerdem werden hier gentechnisch veränderte Algenstämme entwickelt, die mehr Lipide produzieren. Die Chemie beschäftigt sich hingegen mit der Ernte, der Extraktion sowie dem Versuch, die Ergebnisse der Algenölumwandlung durch chemische Reaktionen noch zu verbessern und zu modifizieren.

„Ich habe meinen Masterabschluss im Studiengang Life Science an der Universität Konstanz gemacht. Das bedeutet, dass ich einen guten Einblick in beide Fachbereiche habe und im Rahmen des Projekts sowohl für die Chemie als auch für die Biologie tätig sein kann. Je nachdem wo der Schwerpunkt meiner Doktorarbeit gerade liegt", beschreibt Sandra Heß ihre Arbeitsweise. Die Zusammenarbeit mit Forschern aus verschiedenen Fachbereichen, ermöglicht es der jungen Forscherin, die Materie aus unterschiedlichen Blickwinkeln zu betrachten, was sich fruchtbar auf ihre Arbeit auswirkt. „Die Möglichkeiten auf dem Gebiet dieses neuen Rohstoffs sind unendlich, deshalb ist das Thema meiner Doktorarbeit ja auch so schön und vielseitig", erläutert die Doktorandin begeistert.

Ein Rohstoff für die Zukunft

Die Mikroalge Phaeodactylum tricornutum ist ein Einzeller mit besonders hohem Lipidanteil. Die dunkelgrau umrandeten Stellen markieren die Fetttropfen in der Alge. © Sandra Heß

Die Forschung hat gezeigt, dass die Zusammensetzung des Algenöls einzigartig ist, denn es enthält im Vergleich zu anderen Quellen wie Sonnenblumen- oder Rapsöl verschiedene Fettsäurestrukturen, die besonders gut für die Gewinnung hochwertiger Zwischenstufen von Chemikalien geeignet sind.

Im Moment sind die Rohöl-Ausbeuten aus der Mikroalge zwar noch nicht mit denen von Erdöl vergleichbar, doch mit dem Schwinden der fossilen Reserven kommt Alternativprodukten wie Algenöl eine immer größere Bedeutung zu. „Selbstverständlich arbeiten wir daran, die Herstellung von Algenöl effizienter zu machen, aber wir können das Erdöl nicht von heute auf morgen ersetzen. Wir stehen erst am Beginn der Gewinnung und Nutzung dieses nachwachsenden Rohstoffs", sagt Sandra Heß abschließend.

Sandra Heß hat 2008 Abitur am Biotechnologischen Gymnasium der Mathilde-Weber-Schule in Tübingen gemacht und ist für ihre Leistung mit dem MTZ®-BIOPRO Schülerpreis 2008 ausgezeichnet worden.

Der MTZ®-BIOPRO Schülerpreis wird gemeinsam von der MTZ®stiftung und der BIOPRO Baden-Württemberg an die besten Abiturienten beruflicher Gymnasien mit biotechnologischer Ausrichtung in Baden-Württemberg vergeben.

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/nachhaltig-produzierte-chemikalien-durch-den-einsatz-von-mikroalgen/