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Neuartiger Bioreaktor und Schwämme zum Lichtverdünnen

Die Gruppe der Mikroalgen ist eine Fundgrube. Kosmetik-, Lebensmittel- und chemische Industrie nutzen schon heute Produkte aus dem Stoffwechsel der grünen Einzeller. In Zukunft könnten die Organismen auch im großen Stil als regenerative Energiequelle in Photobioreaktoren auf Brachflächen gezüchtet werden. Der Diplom-Ingenieur Mark Fresewinkel vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt gerade in einem Kooperationsprojekt einen neuartigen effektiven Photobioreaktor, in dem gleich eine Biogasanlage integriert ist. Außerdem bringt er mit Hilfe von lichtleitenden Strukturen mehr Licht auf die Schattenseite der Algenwelt.

Mikroalgen sind einzellige Organismen, die in der Lage sind, Sonnenenergie in chemische Energie umzuwandeln. Durch die Fotosynthese angetrieben, stellen sie zum Beispiel verschiedene Polysaccharide, Proteine und Fettsäuren her, die schon heute von der Lebensmittelindustrie als Zusatzstoffe eingesetzt werden oder in Kosmetika Verwendung finden. In Zukunft sollen Algen auch als Quelle für Biogas dienen, denn sie produzieren Biomasse, die in einer Biogasanlage zum energiereichen Methan fermentiert werden kann. Dies findet in einem Prozess statt, der genauso viel CO2 aus der Luft entnimmt, wie bei der späteren Verbrennung wieder freigesetzt wird. In Zukunft könnten also auf großen Flächen Bioreaktoren stehen, in denen Algen gezüchtet werden. „Die in den heutigen Bioreaktoren etablierten Prozesse haben allerdings noch einen zu geringen Wirkungsgrad“, sagt Diplom-Ingenieur Mark Fresewinkel, Doktorand am Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) unter der Leitung von Prof. Dr. Clemens Posten. „Die Produktion von Biomasse in einem Bioreaktor, die dann erst in einer Biogasanlage wieder zu Methan fermentiert wird, ist ein kostspieliger Umweg.“

Ein kurzer Weg zwischen Alge und Bakterium

In einem vom Erfinder Prof. Dr. Christian Wilhelm von der Abteilung Pflanzenphysiologie am Institut für Biologie der Universität Leipzig koordinierten und durch das BMBF geförderten Projekt arbeitet Fresewinkel an einem Bioreaktor, bei dem die relevanten Prozesse der Methan-Gewinnung sowohl örtlich als auch chemisch aneinander gekoppelt sind. Die entscheidende Idee dabei ist, verschiedene Prozessschritte in einem Reaktor zu integrieren. Das spart denjenigen Schritt, der bei den bisherigen Technologien extrem viel Energie benötigt, nämlich den Aufbau von Biomasse durch die Algen. Biomasse bedeutet auch Proteine, Kohlenhydrate und Lipide, die eigentlich zu hochwertig für die Biogasproduktion sind. Für sie wird ein gehöriger Anteil des eingestrahlten Sonnenlichts „verschwendet“; der zweistufige Bioreaktor, den Fresewinkel und seine Kooperationspartner entwickeln, besteht daher aus zwei Kammern. In der einen Kammer werden die Algen angezüchtet, in der anderen schwimmen Bakterien, die Methan produzieren können, im Prinzip wie in einer Biogasanlage. „Das besondere ist, dass die Algen in der ersten Kammer den Bakterien nicht Biomasse liefern, sondern lediglich das Stoffwechselprodukt Glykolat, das sie unter wesentlich geringerem Energieaufwand produzieren können“, sagt Fresewinkel. Aus Glykolat können die Bakterien dann Methan herstellen.

Ein zweiter entscheidender Vorteil der Technologie ist, dass die Algenbiomasse nun nicht mehr vom Kulturmedium abgetrennt werden muss, da die Organismen nicht in wässriger Lösung schwimmen, sondern feste Biofilme bilden. Damit entfallen hohe Separations- und Pumpenergiekosten. Die Forscher sehen ein großes Potenzial für die von ihnen entwickelte Technologie. Es seien zum Beispiel Biogas-Farmen auf den Grünstreifen von Autobahnen denkbar. Derzeit optimiert Fresewinkel in verschiedenen Testreihen die Immobilisierung der Algenbiofilme und ihre Versorgung mit Kohlenstoffdioxid-Gas sowie anderen Nährstoffen.

Die Partner aus Leipzig um Wilhelm sowie das Sächsische Institut für Biotechnologie untersuchen als Biologen eher die Rahmenbedingungen, unter denen die Algen die größte Ausbeute an Glykolat liefern. Dabei ist zum Beispiel eine niedrige Sauerstoffzufuhr relevant, denn die Substanz entsteht unter Sauerstoffmangel. Außerdem testen die Leipziger in einem angegliederten Institut die Performance der Bakterien, die aus dem Glykolat Methan herstellen. Im Bremer Institut für Umweltverfahrenstechnik unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Norbert Räbiger hingegen wird an optimalen Membranmaterialien geforscht, die in der Trennwand zwischen Algen- und Bakterienkompartiment Sauerstoff zurückhalten, Glykolat jedoch durchlassen sollen.

Licht auf der Schattenseite

Die Senkung des Energieverlusts bei der Produktion von Biogas ist nur eine Stellschraube, an der Wissenschaftler und Verfahrenstechniker bei der Optimierung der bestehenden Technologien drehen können. Eine andere ist die Optimierung der bisher vorhandenen Photobioreaktoren. Hier spielt die Versorgung der Algen mit Sonnenlicht eine entscheidende Rolle. Weil die Algen in den klassischen Bioreaktoren in einer wässrigen Lösung schwimmen, dringt das nur von einer Seite eingestrahlte Sonnenlicht nicht bis zum hinteren Teil des Tanks durch. Es gibt daher immer eine Sonnen- und eine Schattenseite. Außerdem können die Algen bei sehr hohen Lichtintensitäten bzw. Photonenflussdichten einen großen Teil des Lichts, das in einen Bioreaktor dringt, gar nicht nutzen. „Dunkle Bereiche verringern die Ausbeute von Photobioreaktoren, da in diesen Bereichen kein Biomassewachstum stattfindet“, sagt Fresewinkel. „Zu hohe Intensitäten hingegen führen zu einer Lichtsättigung, weil die molekulare Maschinerie der Fotosynthese nicht nachkommt“.

Aufsicht auf eine lichtleitende Schwammstruktur, mit normalem Licht beleuchtet (links) und punktuell durch einen Laserstrahl beleuchtet (rechts). © Dipl.-Ing. Mark Fresewinkel

Eine Möglichkeit das Problem zu lösen ist, das eindringende Licht zu „verdünnen“ und in die Tiefe des Reaktor zu leiten. Hierzu haben Fresewinkel und seine Kollegen in einem abgeschlossenen Projekt bereits schwammartige Strukturen aus Glas hergestellt und getestet, die einen Teil des Lichts in tiefere Schichten des Bioreaktors transportieren, sodass auch die Schattenseite eines Tanks mit Licht versorgt wird. Die Gewinnung von Biomasse konnte auf diese Weise schon jetzt um bis zu 25 Prozent erhöht werden. In dem zweiten Projekt, das ein Nachfolgeprojekt der Arbeit mit den Glasschwämmen darstellt, sucht Fresewinkel derzeit nach Materialien, die diese Aufgabe erfüllen könnten und dabei flexibler wären, was die Geometrie der Schwammporen anbelangt. Denn Glas ist fragil und dadurch nicht sehr formvariabel.

Das Schwamm-Projekt ist noch am Anfang. Aber die Idee hinter dem zweistufigen Bioreaktor, an dem Fresewinkel arbeitet, ist bereits patentiert und der Kontakt zur Industrie, die das Prinzip auf einen großen Maßstab übersetzen könnte, ist angedacht. Und so könnten Algen bald einen großen Teil zum Cocktail aus regenerativen Energiequellen beitragen. Algen haben gegenüber pflanzlichen Energiequellen große Vorteile. Bis zu fünf Prozent der von ihnen aufgenommenen Sonnenlichtenergie können sie in chemische Energie umwandeln. Raps, Mais und Co. schaffen nur etwa ein Prozent, da ein geringer Teil des Pflanzenmaterials tatsächlich Fotosynthese betreiben kann. Stängel oder Spross müssen mitversorgt werden und drücken die Energiebilanz. Zudem müssen Algen nicht auf landwirtschaftlichen Nutzflächen kultiviert werden. Bioreaktor-Tanks können im Meer oder auf unfruchtbaren Böden stehen. Damit bietet die Algenbiotechnologie einen Ausweg aus dem sogenannten Teller-Tank-Dilemma; Biogas kann gewonnen werden, ohne mit der Nahrungsmittelindustrie in eine Konkurrenz um Anbauflächen zu treten. Verfahrenstechniker wie Fresewinkel sind auf gutem Wege, die Technologie bereitzustellen.

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