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Clemens Posten: Wie wird Energie aus Algen billiger?

Die Gruppe der Mikroalgen ist eine wahre Fundgrube. Kosmetik-, Lebensmittel- und chemische Industrie bedienen sich schon heute verschiedener Stoffwechselprodukte. In Zukunft sollen die grünen Einzeller auch als regenerative Energiequelle dienen. Aber die Verfahren, in denen Rohstoffe für Biodiesel geerntet werden, sind für großindustrielle Anwendungen noch zu unökonomisch. Wie lassen sich Bioreaktoren und Ernteverfahren optimieren? Die Arbeitsgruppe für Bioverfahrenstechnik von Prof. Dr. Clemens Posten vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) betreibt Bioprozessentwicklung, und da geht es zum Beispiel um verschiedene Diäten oder um Lichtverdünnung.

Die Alge der Gattung Chlamydomonas (elektonenmikroskopische Darstellung) ist ein beliebtes Objekt für Forschung und Industrie. © Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College

Mikroalgen sind einzellige Organismen, die in der Lage sind, Sonnenenergie in chemische Energie umzuwandeln. Durch die Photosynthese angetrieben stellen sie zum Beispiel verschiedene Polysaccharide, Proteine und Fettsäuren her, die schon heute von der Lebensmittelindustrie als Zusatzstoffe eingesetzt werden oder in Aquakulturen als Futtermittel für Fische Verwendung finden. Und auch die Kosmetikindustrie greift gerne auf die bunte Vielfalt der Stoffwechselprodukte in einer Algenzelle zurück. In Zukunft sollen Algen auch als Quelle für Biodiesel dienen, denn sie produzieren unter bestimmten Bedingungen energiereiche Öle – und das in Mengen von bis zu 50 Prozent ihrer eigenen Zellmasse.

Die Alge ist eine nachhaltige Energiequelle, denn sie entfernt genau so viel CO2 aus der Luft, wie bei ihrer Verwertung wieder freigesetzt wird. In Zukunft könnten auf riesigen Flächen Bioreaktoren stehen, in denen Algen gezüchtet werden können. „Diese Vision ist realistisch“, sagt Prof. Dr. Clemens Posten, Leiter des Bereichs Bioverfahrenstechnik am Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). „Aber auf dem Weg dorthin müssen noch einige Hürden genommen werden.“

Scheinbar perfekte Energielieferanten

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. Einer der Gründe: Nur ein geringer Teil des Pflanzenmaterials kann tatsächlich Photosynthese betreiben, Strukturelemente wie Stängel oder Spross müssen mitversorgt werden und drücken die Energiebilanz. Ein zweiter großer Vorteil der Algen ist die Tatsache, dass sie nicht landwirtschaftlich kultiviert werden müssen. Die Behälter, in denen sie gezüchtet werden, können im Meer oder auf unfruchtbaren Böden stehen. Damit bietet die Algenbiotechnologie einen Ausweg aus dem sogenannten Teller-Tank-Dilemma. Biodiesel kann im Prinzip gewonnen werden, ohne mit der Nahrungsmittelindustrie in eine Konkurrenz um wertvolle Anbauflächen zu treten. Algen sind also scheinbar perfekte Energielieferanten. Aber während Kosmetik- und Lebensmittelunternehmen Algen großflächig in Tanks züchten, hinkt die Energiebranche hinterher. Warum ist das so? „Noch sind die Verfahren der Biodieselherstellung aus Algen in der Endbilanz zu teuer“, sagt Posten.

Ein sogenannter Plattenreaktor zur Züchtung von Algenkolonien © Prof. Dr. Clemens Posten

Die Forscher um Clemens Posten sind Verfahrenstechniker. Sie haben weniger die biologische Seite der Algenbiotechnologie im Blick als den Aspekt der technischen Prozessierung. Unter welchen Bedingungen wachsen Algen am schnellsten? Wie erhöht man die Ausbeute von Ölen, Polysacchariden oder anderen interessanten Stoffen? Wie drückt man den energetischen Aufwand und damit die Kosten? Um solche Fragen zu beantworten, haben die Forscher um Posten verschiedene Typen von Bioreaktoren gebaut, in denen sie Algen unter kontrollierten Bedingungen züchten und ernten können. Bioreaktoren sind im Prinzip Tanks, die mit Nährmedium gefüllt und mit CO2 begast werden können. Vier einfachere Tanks mit einem Volumen von zehn bis dreißig Litern stehen den Karlsruhern für Pilottests zur Verfügung, sechs kleinere Tanks mit einer hochwertigen Ausstattung aus Sensoren und LED-Lampen verwenden die Forscher, um verschiedene physiologische Prozesse im Detail zu messen und zu modellieren.

Bessere Lichtausbeute und strenge Diät

An welchen Stellen im Gesamtprozess gibt es Potenzial zur Einsparung? Zunächst einmal testen Posten und sein Team die Wachstumsraten und Produktausbeuten verschiedener natürlicher oder genetisch modifizierter Algenstämme, die ihnen von Kooperationspartnern wie dem Bielefelder Algenbiotechnologen Prof. Dr. Olaf Kruse zur Verfügung gestellt werden. „Welcher Stamm wächst unter welchen Lichtbedingungen am besten und produziert auch noch die höchste Menge an Ölen oder anderen Molekülen?“, fragt der Doktorand Robert Dillschneider. Er setzt seine grünen Versuchsobjekte zum Beispiel auf Stickstoff- oder Phospordiät und versucht so, die Produktion von Ölen anzukurbeln, denn Algen lenken die Sonnenlichtenergie eher in den Aufbau der energiereichen Stoffe, wenn ihnen die Möglichkeit zur Proteinproduktion durch den Mangel an Proteinbausteinen erschwert wird. Welche Lichtintensitäten und Hell-Dunkel-Muster sind optimal? Um die Performance seiner Grünlinge besser zu verstehen, misst Dillschneider auch verschiedene physiologische Parameter. Seine Erkenntnisse nutzt er dann, um mathematische Modelle von physiologischen Prozessen zu entwickeln, die wiederum Vorhersagen zum Verhalten der Algen unter anderen Bedingungen ermöglichen.

Solche Experimente dienen im Grunde dazu, den Output der Technologie zu erhöhen. Die Kostenbilanz der heutigen Verfahren wird aber auch durch den zu hohen Energieaufwand verursacht, also durch den Input. Um diese Seite der Rechnung zu optimieren, müssen die Wissenschaftler zum Beispiel die Lichtausbeute der Organismen verbessern. „Algen können bei sehr hohen Lichtintensitäten bzw. Photonenflussdichten einen großen Teil des Lichts, das in einen Bioreaktor dringt, gar nicht nutzen“, sagt Dillschneider. „In der Algenzelle tritt sehr schnell eine Lichtsättigung auf, weil die molekulare Maschinerie der Photosynthese nicht nachkommt. Die Photosynthese kann durch zu hohe Lichtintensitäten sogar gehemmt werden.“ Eine Möglichkeit zur Problemlösung ist es, zu testen, welche Intensitäten und zeitlichen Lichtmuster optimal sind. Auf der anderen Seite versuchen die Karlsruher Forscher, das eindringende Licht zu verdünnen. Hierzu müssen sie die Oberfläche eines Reaktors so gestalten, dass das auf ein Areal bestimmter Größe eintreffende Licht auf eine größere Oberfläche der Algensuspension im Reaktorinneren umgelenkt wird. Ein anderer Ansatz sind Lichtleiterstrukturen im Inneren der Bioreaktoren, die einen Teil des Lichts in tiefere Schichten des Bioreaktors transportieren.

In Forschungsnetzwerke eingebunden

Es gibt zahlreiche Schrauben, an denen Forscher drehen können, um die Investitionskosten der Technologie zu senken. Dillschneider untersucht zum Beispiel auch verschiedene Ernteprozesse. „Lassen sich Kosten zum Beispiel durch die Einführung eines semikontinuierlichen Ernteverfahrens minimieren, bei dem regelmäßig ein Teil der Algenzellen abgeschöpft und durch frisches Nährmedium ersetzt wird?“, fragt er. Posten und seine Arbeitsgruppe testen zudem  kostengünstige Materialien für Bioreaktoroberflächen oder Verfahren, CO2 einzuleiten. Gerade die Begasung eines Bioreaktors ist eine wichtige Kostengrube. Denn bilden sich zum Beispiel beim direkten Einleiten Blasen, geht ein großer Teil der pneumatischen Energie verloren. „Wir testen momentan die Möglichkeit, CO2 über Membranen in den Reaktor einzuleiten“, sagt Posten. Wie das genau funktioniert, ist noch geheim, denn für das Verfahren läuft gerade ein Patentantrag.

Alle Projekte der Posten-Gruppe sind in nationale und internationale Forschungsnetzwerke eingebunden. Im Rahmen von Kooperationen mit Biologen, Materialforschern oder Industriepartnern aus Deutschland und anderen EU-Ländern kommen die Forscher dem Ziel immer näher, Algen zu einem Bestandteil des zukünftigen Cocktails aus nachhaltigen Energiequellen zu machen. Wie ist die zeitliche Prognose? „Ich denke, dass die Algenbiotechnologie in sechs bis acht Jahren bereits nennenswerte Prozente des Energiehaushalts abdecken könnte“, sagt Posten. Die Kostenbilanz für Energie aus Bioethanol ist heute übrigens auch nicht gerade vorteilhaft. Die Politik hilft mit Subventionen nach. Algen werden es wohl auch ohne Finanzspritze schaffen.

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