Rohstoff-Wunder

Mikroalgen: Grüne Winzlinge mit ungeahnter Superpower

02.02.2015

Unscheinbare Einzeller mit ganz viel Potenzial: Mikroalgen werden als der Trend-Rohstoff schlechthin gehandhabt. Wieso? Jeder einzelne Bestandteil kann verwendet werden und ist einsetzbar in Nahrungsmittel-, Energie- und auch Pharmaindustrie. Trotzdem steckt die Forschung noch in den Kinderschuhen.

Seit 2013 steht ein Algen-Haus in Hamburg. Besser gesagt ein Haus, dessen Fassade mit Bioreaktoren gespickt ist: ein grünes Gebäude, das in der Lage ist, eigenständig Mikroalgen zu züchten, indem es Kohlenstoffdioxid aus der Luft zieht. Diese können wiederum Biomasse produzieren und daraus Wärme ziehen: voll natürlich, voll selbstversorgend. Von den Speisekarten, insbesondere in Küstenländern, sind Meeresalgen nicht mehr weg zu denken. Bis 2018 will der japanische Autoanbieter „Isuzu Motors" zusammen mit dem Chemieunternehmen „Euglena" den Diesel-Kraftstoff „DeuSel" herausbringen, der gänzlich auf Mikroalgen basiert. Auch in Zeiten von niedrigen Kraftstoff-Preisen eine unentbehrliche weil zukunftsweisende Innovation, gerade für den Automobilmarkt. Alles super grün. Bei der Mikroalgenforschung handelt es sich um ein junges und somit recht unerprobtes, dafür aber vielversprechendes Forschungsgebiet. Auf den ersten Blick mag es nicht ersichtlich sein, warum gerade Algen eine solche Faszination auf die Wissenschaft ausüben. Doch die grünen Kleinstlebewesen haben es in sich, im wahrsten Sinne des Wortes.

Wertstofffabrik Mikroalge

Man könnte Mikroalgen als regelrechte Synthesemaschinen bezeichnen. Man würde Algen Unrecht tun, würde man sie ausschließlich auf dem Meeresboden ansiedeln, denn ihr Vorkommen ist geografisch gesehen viel weitreichender. Einige Algenstämme haben sich sogar an das Leben am Nord- und Südpol oder auch in der Wüste angepasst. Weder ihre geringen Ansprüche an ihre Umwelt, noch ihre Größe von unter einem Millimeter vermag ihr Produktivitäts-Potenzial zu schmälern. Ihre Superpower: Die Fotosynthese. Der Ablauf unterscheidet sich hier kaum von dem einer herkömmlichen Zimmerpflanze: Gibt man ihnen Licht und CO2, wandeln sie es dank ihres eingelagerten Chlorophylls in Sauerstoff und Kohlenhydrate um. Besonders aber zwei Eigenschaften machen Algen nun so interessant. Zum einen können sie sich durch Zellteilung explosionsartig vermehren- rund 20 Mal schneller als eine Landpflanze um genau zu sein. Neben diesem schnellen Wachstum haben sie Pflanzen gegenüber noch etwas anderes voraus: Im Prinzip fungieren sie als eine große Pflanzenzelle. Der Vorteil hierbei liegt in der Nutzfläche, die sich daraus ergibt. Mikroalgen haben keine Äste oder Stämme, in denen kein Chlorophyll enthalten ist. Dadurch können sie zu fast 100 Prozent Fotosynthese betreiben.

Zum anderen produzieren Mikroalgen chemische Grundstoffe, die für verschiedene Industriezweige einen hohen Wertschöpfungsgrad haben, etwa Proteine, Vitamine, ungesättigte Fettsäuren, Öle oder auch natürliche Farbstoffe wie Astaxanthin: ein roter Farbstoff, dem gesundheitsfördernde Eigenschaften zugeschrieben werden. Genauso vielfältig sind auch die Vorgehensweisen, durch welche man von ihren wertvollen Inhaltsstoffen profitieren kann. Energie kann mit Hilfe von Algen auf besonders nachhaltige Weise gewonnen werden. Je nach Stamm kann eine Alge beispielsweise bis zu 70 Prozent aus Öl bestehen: Aus 100 Kilogramm Algen könnte man in dem Fall rund 21 Kilogramm Biobenzin gewinnen. Bei der Umwandlung von Algenmasse in Biogasanlagen entsteht außerdem Methan. Dieses kann wiederum an Drittanbieter weiterverkauft und verbrannt werden, denn dabei wird Energie freigesetzt. Die Lebensmittelindustrie hingegen zieht den meisten Nutzen aus den ungesättigten Fettsäuren dar, die Mikroalgen zur Fülle enthalten. Diese sind besonders leicht zu verdauen und teilweise sogar ein ganz essenzieller Ernährungsbestandteil. So auch die Omega-3-Fett-säuren, welche der menschliche Körper selbst nicht umwandeln kann. Als Nahrungsergänzungsmittel eignen sich Mikroalgen also ebenfalls hervorragend.

So wandelbar kann die Alge sein. Bearbeitet von: Svea Hundsdorf

Forschungsschwerpunkt: Wellness-Oase

Einfach, genügsam und dann auch noch in hohem Maße ertragreich. Da sollte man sich doch glatt überlegen, selbst einen Algenteich im Garten anzulegen, richtig? Aber ganz so einfach scheint es dann doch nicht zu sein, wie ein Besuch beim Fraunhofer Institut Stuttgart zeigt. Experten sind sich uneinig über die Anzahl von Algenarten, die es noch zu bestimmen und erforschen gibt. Bis dato sei aber nur ein Bruchteil dessen, gerade einmal 15 Algenstämme, kommerziell nutzbar, erklärt Prof. Dr. Ulrike Schmid-Staiger, Leiterin der Abteilung Umweltbioenergie und Bioverfahrenstechnik. Sie und ihr Team forschen aktiv seit dem Jahr 2000 an Mikroalgen. Dazu entwickelten sie eigens geschlossene Bioreaktoren, die sie zur näheren Untersuchung verschiedener Algenstämme nutzen. Die Kultivierung der Algen spielt sich in der Winterzeit in den Laboren des Instituts ab: Mit Hilfe von Sechs-Liter-Reaktoren tüfteln die Mitarbeiter an Parametern und Prozessen, um die optimalen Wachstumsbedingungen für die verschiedenen Stämme zu erarbeiten- jede Alge hat da ihre eigenen Ansprüche. Die Plattenreaktoren ähneln flachen, viereckigen Glaskästen, in denen jeweils eine Algenart unter Wasser gesetzt wird. Für die Einzeller sozusagen eine persönliche Wellness-Oase, denn Algen haben durchschnittlich einen hohen Wasserbedarf von mehreren hundert Kubikmetern Wassern pro Tonne trockener Biomasse. Ein statischer Mischer lässt diesem Wasser dauerhaft ein CO2-Gemisch durch einen Schlauch zukommen. Diese aufsteigenden Gasblasen garantieren für die notwendige Durchmischung der Algen, denn alle Zellen müssen im gleichen Maße versorgt und von den LEDs beschienen werden, die sich unmittelbar hinter den Reaktoren befinden. Die Algen dürfen sich also nicht allzu stark überlagern. Die geschlossenen Reaktoren bieten außerdem die Möglichkeit, andere Faktoren wie die Temperatur, den pH-Wert des Wassers oder aber auch den Beleuchtungsgrad anzupassen. Möglichkeiten, die mit einem offenen Kultivierungsbecken nicht gegeben wären. Wenn man die größtmögliche Zelldichte erreichen möchte, darf es den Einzellern schließlich an nichts fehlen. Und genau das ist es, worauf das Team Schmid-Staiger abzielt.

Die Bioreaktoren des Fraunhofer Instituts

Trotz gleicher Funktionsweise sind die Bioreaktoren, in denen die Mikroalgen kultiviert werden, von Institut zu Institut unterschiedlich aufgebaut.

Zu wenig Platz, zu wenig Investoren = zu wenig Fortschritt?

Die richtige Rezeptur und damit ein patentiertes Mischverhältnis für das beste Wachstum zu finden ist allerdings nur die kleinste Hürde für Mikroalgenforscher- die Forschungsarbeit in diesem geht weit tiefgreifender. Verschiedene Stämme enthalten und produzieren unterschiedliche chemische Grundstoffe. Viele der bereits einsetzbaren Algenarten lagern beim Absorbieren von CO2 gleichzeitig auch einen ungesund großen Anteil davon ein. Damit werden sie sowohl für Lebensmittel- als auch Kosmetikindustrie unattraktiv. Das macht die Erforschung von weiteren Algenstämmen absolut erforderlich, um noch mehr Algenarten ohne Bedenken auf den Markt bringen zu können. Das ist allerdings nicht billig: Eine Menge Geld fließt dabei in die Konstruktion und den Bau von Algenreaktoren. Das hat zur Folge, dass die Produktionskosten derzeit noch das Nettoerzeugnis an Biomasse um einiges übersteigen. Alternativ-Produkte, wie etwa Raps, haben den Mikroalgen gegenüber hierbei einen Vorteil: Während auch sie dank ihres großen Ölanteils als verlässliche Biokraftstoff-Quelle gelten, ist das robuste Kreuzblütengewächs ganz einfach auf dem Feld anzubauen. Bioreaktoren sind hierfür nicht nötig. Mögliche Interessenten auf dem Kraftstoffmarkt tendieren so eher dazu, in Raps zu investieren. In dem Stadium, in dem sich die Mikroalgenforschung befindet, rentiert es sich derzeit fast ausschließlich für große Stromanbieter wie E.ON, RWE oder Vattenfall, die Weitentwicklung von Algenprodukten mitzufinanzieren.

Auch der Platzmangel stellt ein bisher ungelöstes Problem dar. Zwar können Mikroalgen ein großes Potenzial in der Grundstoffproduktion aufweisen, allerdings ist für eine wirtschaftlich rentable Produktion, zumindest in der Energie-Branche, eine riesige Menge an Algen erforderlich. Ja, Algen absorbieren Treibhausgase aus der Luft. Mikroalgen sind aber nun einmal klein. Um wirklich etwas gegen Kraftwerksabgase ausrichten zu können, bräuchte man ebenfalls eine unvorstellbar große Menge von ihnen. Sowohl im Freiland als auch in Produktionsanlagen könnte diese Größenordnung nicht realisiert werden. Das ist auch der Grund dafür, warum Algen sehr wahrscheinlich nie dazu in der Lage sein werden, unser Weltklima zu retten. Zumindest nicht im Alleingang.

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Über den Autor

Svea Hundsdorf

Crossmedia-Redaktion/Public Relations (Bachelor)
Eingeschrieben seit: Sommersemester 2014