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„Grüne“ Energie aus Algen

Angesichts der Verknappung petrochemischer Rohstoffe und des Klimawandels ist die Entwicklung CO2-neutraler nachhaltiger Brennstoffe eine der drängendsten Herausforderungen unserer Zeit. Energiepflanzen wie Raps oder Ölpalme sind wegen der Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion in die Diskussion geraten. Einen wichtigen Beitrag für die Energieversorgung von morgen könnte daher die Kultivierung von Mikroalgen bieten. Um diese energetisch nutzen zu können, entwickeln Wissenschaftler am KIT geschlossene Photoreaktoren und neue Verfahren für den Zellaufschluss.

Energielieferanten der Zukunft: Mikroalgen unter dem Mikroskop © KIT, Florian Lehr
Mikroalgen sind einzellige, pflanzenartige Organismen, die Photosynthese betreiben und Kohlendioxid (CO2) in Biomasse umwandeln. Aus dieser Biomasse lassen sich sowohl Wert- und Wirkstoffe als auch Energieträger wie Biodiesel gewinnen. Da Algen bei ihrem Wachstum zuerst die Menge an CO2 aufnehmen, die sie später bei der energetischen Nutzung wieder freisetzen, lässt sich Energie aus Algen im Gegensatz zu konventionellen Energieträgern CO2-neutral gewinnen.
Neben der Chance der CO2-neutralen Kreislaufwirtschaft haben die Algen noch einen weiteren Vorteil: Industrielle CO2-Emissionen lassen sich als „Rohstoff“ nutzen, da Algen bei hohen Kohlendioxid-Konzentrationen schneller wachsen und damit mehr energetisch nutzbare Biomasse produzieren.
Dies ist jedoch nicht ihr einziger Pluspunkt: „Verglichen mit Landpflanzen produzieren Algen bis zu fünfmal so viel Biomasse pro Hektar und enthalten 30 bis 40 Prozent energetisch nutzbare Öle“, so Professor Clemens Posten, der diese Forschung am Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik am KIT leitet. Da sich Algen auch in ariden, also trockenen Gegenden kultivieren lassen, die sich für den Landbau nicht eignen, bestehe kaum Konkurrenz zu den Agrarflächen. Dazu sind dort jedoch geschlossene Systeme notwendig.

Geschlossene Photo-Bioreaktoren zur effizienten Algenproduktion

Neu entwickelter Plattenreaktor für ein optimales Lichtmanagement bei der Kultivierung von Mikroalgen © Florian Lehr
Gegenwärtig werden Algen in offenen Becken in südlichen Ländern mit relativ geringer Produktivität produziert. Genau hier setzt Postens neue Technologie an. „Wir gehen verfahrenstechnisch ganz anders heran und arbeiten mit geschlossenen Photo-Bioreaktoren“, so der Wissenschaftler. „Unsere Anlagen wandeln Sonnenenergie mit fünffach höherem Wirkungsgrad in Biomasse um als offene Becken.“ Die Plattenreaktoren stehen dabei senkrecht, ähnlich wie Photovoltaikzellen. „So sieht jede Alge ein bisschen weniger Licht, die Anlage arbeitet dafür aber mit höherem Wirkungsgrad“, betont der Biologe und Elektrotechniker.
Die Algenproduktion funktioniert daher nicht nur in Ländern mit extrem hoher Sonneneinstrahlung. Die meisten Algen benötigen maximal zehn Prozent des ankommenden Sonnenlichts. Der Rest werde einfach verschwendet, falls man nicht ein optimales Lichtmanagement im Photo-Bioreaktor habe, so der Wissenschaftler Posten. Denn in der Sahara gebe es gerade mal doppelt so viel Sonne wie bei uns, dafür müsse man dort aber den Reaktorinhalt kühlen.

Weitere Vorteile des geschlossenen Systems sind drastische Ersparnisse an Wasser und Düngemitteln. Dabei ist auch eine Doppelnutzung zur Produktion von Lebensmitteln oder Feinchemikalien aus den Algen und der anschließenden energetischen Verwertung der Restbiomasse denkbar. An Postens Institut ist eine der beiden Arbeitsgruppen des KIT angesiedelt, die intensiv auf dem Gebiet der Algen-Biotechnologie forschen. „Bei der Entwicklung von Photo-Bioreaktoren gehören wir mittlerweile zu den drei Standorten weltweit, in denen man in der Verfahrenstechnik, und nicht nur in der Biologie, deutlich vorankommt“, so Posten.

Neuartiges Verfahren für den Zellaufschluss

Wo sein Forschungsgebiet am Campus Süd des KIT aufhört, setzt die Abteilung Hochleistungsimpulstechnik am Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik am KIT-Campus Nord an. Hier geht es darum, mittels Elektroimpulsbehandlung der Algenbiomasse die wertvollen Inhaltsstoffe zu entlocken. Bisher hat Dr. Georg Müller, der die Abteilung leitet, zusammen mit Partnern aus Forschung und Industrie den Aufschluss von Pflanzenzellen wie Oliven, Weintrauben, Äpfeln, Zuckerrüben und terrestrischen Energiepflanzen erforscht und teilweise großtechnisch umgesetzt. „Unser Ziel ist es, neue wirtschaftliche und nachhaltige Extraktionsverfahren zu entwickeln, um möglichst viel energetisch nutzbare Zellinhalte aus den Algen zu erhalten“, so Müller. „Bei unserem Verfahren werden Pflanzenzellen für sehr kurze Zeit einem hohen elektrischen Feld ausgesetzt. Dies führt zur Perforierung der Zellmembran und Freisetzung von Inhaltsstoffen."
Die Kooperation der beiden Arbeitsgruppen soll nun das vorhandene Know-how bündeln und nutzt dazu eine Anschubfinanzierung des KIT-Zentrums Energie. Geplant ist der Aufbau einer KIT-„Algenplattform“ für die energetische Nutzung von Mikroalgen.
Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Im Karlsruher Institut für Technologie (KIT) schließen sich das Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft und die Universität Karlsruhe zusammen. Damit wird eine Einrichtung international herausragender Forschung und Lehre in den Natur- und Ingenieurwissenschaften aufgebaut. Im KIT arbeiten insgesamt 8.000 Beschäftigte mit einem jährlichen Budget von 700 Millionen Euro. Das KIT baut auf das Wissensdreieck Forschung – Lehre – Innovation.

Die Karlsruher Einrichtung ist ein führendes europäisches Energieforschungszentrum und spielt in den Nanowissenschaften eine weltweit sichtbare Rolle. KIT setzt neue Maßstäbe in der Lehre und Nachwuchsförderung und zieht Spitzenwissenschaftler aus aller Welt an. Zudem ist das KIT ein führender Innovationspartner für die Wirtschaft.

Glossar

  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Ein Bioreaktor ist ein geschlossenes System, in dem mikrobielle Umsetzungen organischer Substanzen unter kontrollierten Bedingungen stattfinden und gemessen werden können.
  • kb ist die Abkürzung für Kilobase. Diese Einheit für die Länge von DNA- oder RNA-Molekülen entspricht 1.000 Basen bzw. Basenpaaren der Nukleinsäure.
  • 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.
  • Biodiesel ist ein Fettsäuremethylester, der aus Pflanzenölen (z. B. aus Raps) oder tierischen Fetten hergestellt und als Kraftstoff oder Kraftstoffkomponente verwendet wird (Biokraftstoffe).
  • Als Biomasse wird die gesamte Masse an organischem Material in einem definierten Ökosystem bezeichnet, das biochemisch – durch Wachstum und Stoffwechsel von Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen – synthetisiert wurde. Damit umfasst sie die Masse aller Lebewesen, der abgestorbenen Organismen und die organischen Stoffwechselprodukte.
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