Algen#
Überblick über gegenständliche Projekte und Forschungen zur Anwendung von Algen #
Von
Einleitung#
Die Frage, die derzeit regelmäßig gestellt wird, ist ob und inwiefern Algen in Zukunft ein breiteres Nutzungsspektrum zukommt und somit einen wesentlichen Anteil an der Versorgung der Gesellschaft mit Nahrungsmitteln, Kosmetika, Treibstoffen etc. einnimmt. Was klar ist, dass wir keinen plötzlichen Umstieg auf neue Produktionssysteme erwarten können sondern einen sukzessiven Umstieg in die Verwendung neuer Rohstoffe und neuer Produkte anpeilen müssen. Diese „Evolution“ in der Gesellschaft muss nachhaltig in ökologischer und ökonomischer Sicht sein. Der folge Text soll einen kurzen Abriss über das Thema Algen, die verwendete Verfahrenstechnik, Anwendungsmöglichkeiten sowie Forschungsprojekte in Österreich geben.
Foto: BOKU/Institut für Umweltbiotechnologie
Taxonomie #
Unter dem Begriff Algen versteht man photosynthetisch aktive Organismen mit Chlorophyll, die im Gegensatz zu Pflanzen aber keine differenzierten Strukturen wie Blätter, Stamm und Wurzeln besitzen. Unter diese Definition fallen somit auch die prokaryotischen Cyanobakterien, welche aus phylogenetischer Sicht jedoch weit entfernt sind mit eukaryotischen Grünalgen. Die Algenkunde (Phykologie) beschäftigt sich also mit einer breiten Gruppe von Organismen.
Eukaryoten sind eine Domäne der Lebewesen, deren Zellen membranumhüllt sind. Sie verfügen über einen echten Kern, in welchem der größte Teil des Genoms der Zelle vorliegt. Die Bakterien besitzen hingegen keinen Zellkern und vermehren sich immer asexuell. Als dritte Domäne sind noch die Archaeen anzuführen, welche ähnlich den Bakterien sind.
Foto: www.wikiwand.com/de/Phylogenetischer_Baum
Mikroalgen und Stoffwechsel#
Viele Mikroalgen sind in der Lage, ihren Stoffwechsel je nach Umweltbedingung umzustellen. Bei Verfügbarkeit von organischen Kohlenstoffverbindungen wie Zucker etwa, stellt die Zelle von photoautotroph auf chemoheterotroph um. Mixotrophie bezeichnet die Zwischenstufe und ist Gegenstand der Forschung.
- Photoautotroph: Verwendung von Sonnenlicht als Energiequelle und CO2 als Kohlenstoffquelle. Die Umwandlung in chemische Energie erfolgt durch Photosynthese
- Chemoheterotroph: Verwendung von organischen Verbindungen als Kohlenstoff- und Energiequelle. Hier wird keine Photoynthese betrieben und CO2 produziert.
- Mixotroph: In Abhängigkeit des Angebotes können sich diese Organismen autotroph und/oder heterotroph ernähren
Foto: BOKU/Institut für Umweltbiotechnologie
Makroalgen#
Die Makroalgen sind mit bloßem Auge erkennbar und können von einigen Millimetern bis zu einige Meter lang werden. Der überwiegende Teil der Makroalgen kommt im Meer vor (Seetang). Zu den Süßwassermakroalgen zählen bspw. die Armleuchteralgen.
Verfahrenstechnik#
Algen können in unterschiedlichen Reaktorsystemen kultiviert werden. In Abhängigkeit der Bedürfnisse der Algen bzw. auch der Produkte, die aus der Algenkultivierung entstehen sollen, kommen offene oder geschlossene Reaktorsysteme in Frage.
Offene Becken (open ponds)#
Offene Becken (open ponds) sind die mit Abstand verbreitetste Technik zur Kultivierung von Mikroalgen. Insbesondere Spirulina, die am meisten produzierte Alge weltweit, gedeiht gut in open ponds. An der Kultivierung von Algen in offenen Becken wurde bereits intensiv geforscht (Boussiba et al., 1988; Tredici and Materassi, 1992; Hase et al., 2000). Offene Becken ähneln dem natürlichen Milieu der Mikroalgen am meisten. Sie lassen sich kategorisieren in natürliche Gewässer wie Seen und Teiche und künstliche Becken. Am Verbreitetsten sind große künstliche Becken, die im Kreis verlaufen und an einer Stelle mit Schaufelrädern durchmischt werden („Raceway Ponds“). Sie sind seicht bei einer üblichen Wasserhöhe von 15-20 cm. Es können Biomassekonzentrationen von 1 000 mg*L-1 erreicht werden bei einer Produktionsrate von 60-100 mg*(L*d)-1 bzw. 10-25 g*(m²*d)-1 (Pulz, 2001). Der Hauptvorteil dieser Becken ist, dass sie kostengünstig sind und sich einfach betreiben lassen. Demgegenüber stehen der schlechte Massentransfer, die hohe Verdunstungsrate und der Bedarf großer Flächen. Der größte Nachteil ist der geringe Lichteintrag durch die hohe Schichtdicke, welcher die Biomasseproduktion limitiert. Durch die offene Bauweise besteht ständige Kontaminationsgefahr, weshalb sich in offenen Becken nur gewisse Mikroalgen unter selektiven Bedingungen kultivieren lassen. Produkte mit hohem Wert für pharmazeutische Anwendungen können aber kaum erzeugt werden und scheinen nur in geschlossenen Systemen möglich, die GMP gerecht geführt werden können (Ugwu et al., 2008).
Foto: BOKU/Institut für Umweltbiotechnologie
Geschlossene Reaktorsysteme#
Röhrenreaktor#
Nach den open ponds sind die tubulären Photobioreaktoren die wichtigste Kultivierungstechnik. Dieses Reaktorsystem besteht aus Glas- oder Plastikröhren mit 4-8 cm Durchmesser. Die Algenkultur wird mit einer Pumpe im Kreis geführt. Alternativ und manchmal in Forschungsreaktoren kommen auch Airlift Systeme zum Einsatz. Röhrenreaktoren können in unterschiedlicher Anordnung geführt werden, etwa vertikal, horizontal, in Serpentinen, schwach geneigt oder auch helikal (Acién Fernández et al., 2003) (Pulz, 2001). Die notwendige Belüftung zur Entfernung des Sauerstoffs erfolgt mit Druckluft in einem Degaser. Röhrenreaktoren zeichnen sich durch eine große Beleuchtungsfläche aus. Sie können im Freien als auch in Glashäusern betrieben werden. Besonders beim Scale-Up eines Röhrenreaktors muss die Abführung des Sauerstoffs beachtet werden. Wenn ein Röhrenreaktor durch Erweiterung des Durchmessers vergrößert wird, sinkt das Oberfläche zu Volumen Verhältnis. Dadurch werden die Zellen im unteren Bereich abgeschattet und bekommen unzureichend Licht für ein Wachstum. Dieser Effekt kann aber durch ausreichende Durchmischung des Mediums wesentlich abgeschwächt werden (Ugwu et al., 2005). Es zeigt sich außerdem, dass eine Temperaturregelung bei Röhrenreaktoren schwierig ist. Sie lassen sich mit Thermostaten bestücken, doch ist dies teuer und aufwändig. Werden Röhrenreaktoren über einen längeren Zeitraum betrieben, kommt es zu Adhäsion von Zellen an der Außenwand, welche zunehmend zu Abschattung führen. Lange Röhren weisen einen O2 entlang der Röhre auf, welcher sich nachteilig auf das Wachstum auswirkt (Rubio et al., 1999). Das Design von tubulären Röhrenreaktoren ist daher schwierig, die Performance und Prozesskontrolle aber sehr gut.
Foto: BOKU/Institut für Umweltbiotechnologie
Vertikale Röhrenreaktoren#
Verschiedene Designs vertikaler Säulenreaktoren wurden in den letzten Jahren beschrieben (Choiet al., 2003; Vega-Estrada et al., 2005; García-Malea López et al., 2006; Kaewpintong et al., 2007). Sie sind kompakt, kostengünstig, einfach zu handhaben und scheinen vielversprechend für die Massenkultivierung von Algen. SÁNCHEZ MIRÓN et al. haben gezeigt, dass Mikroalgen in begasten Säulenreaktoren bis 0,19 m Durchmesser eine Biomassekonzentration und eine spez. Wachstumsrate erreichen, die vergleichbar sind mit Werten von schmalen Röhrenreaktoren. Die Durchmischung erfolgt meist durch Begasung, welche auch eine große Gasaustauschfläche bietet. Nachteilig wirken sich die Energiekosten für die Kompression der Luft für die Begasung aus (Ugwu et al., 2008).
Flat-plate Photobioreaktoren#
Flat-Plate Photobioreaktoren haben Aufmerksamkeit erlangt, da sie photosynthetisch aktiven Mikroorganismen eine sehr große Beleuchtungsfläche bieten. Das Licht wird fein verteilt und durchstrahlt den Reaktor gleichmäßig. Die ersten Flat-Plate Reaktoren wurden 1985 entwickelt. Ein Jahr später ging eine Anlage aus transparentem PVC in Betrieb. Verglichen mit horizontalen Röhrenreaktoren akkumulieren sie kaum Sauerstoff. Die photosynthetische Effizienz ist hoch (Richmond, 2004). Flat-Plate Reaktoren eignen sich für die Massenkultivierung von Algen, jedoch haben sie auch Nachteile wie den schwierigen Scale-Up und verbreitetes Wachstum an den Außenwänden, das zu Bildung eines Biofilms führt und den Lichteintrag mindert. Die österreichische Firma Ecoduna mit Sitz in Bruck an der Leitha baute Flat-Plate Reaktoren, ist nun jedoch auf Röhrenreaktoren umgestiegen. (Hu et al., 1996; Zhang et al., 2002; Hoekema et al., 2002).
Intern beleuchtete Photobioreaktoren#
PBRs lassen sich auch mit Lampen ausstatten, die sich direkt im Medium befinden. Daneben sind auch Rührer, Luft und CO2 Versorgung im Reaktor untergebracht. Solche Reaktoren lassen sich auch so gestalten, dass neben dem künstlichen Licht auch Sonnenlicht genutzt wird (Ogbonna et al., 1999).
In diesem Fall wird künstliches Licht erst dann zugeschaltet, wenn die Intensität des Sonnenlichts bei Wolken oder Dämmerung unter einen gewissen Wert fällt. Es wurden auch Reaktoren gebaut, die mit Hilfe von Glasfasern Sonnenlicht sammeln und im Reaktor verteilen. Ein großer Vorteil dieser Bauweise ist, dass sich die Reaktoren autoklavieren lassen und so Kontaminationen auf einem Minimum gehalten werden.
Prozesse#
Die im folgenden beschriebenen Prozesse sind in aktuell betriebene Prozesse, die bereits wirtschaftlich genutzt werden sowie die Prozesse die in Entwicklung sind. Der Schwerpunkt liegt auf den österreichischen Aktivitäten, wobei auch internationale Aktivitäten beschrieben werden.
Viele Forschungsaktivitäten wird eine zeitnahe Umsetzung prophezeit. Eine wirtschaftliche Umsetzung in 2 Jahren ist ein oft propagierter Zeitraum. Die Umsetzung der Forschungsaktivitäten in eine wirtschaftliche Umsetzung hinkt aber diesen hohen Erwartungen oft hinterher. Wirtschaftliche Prozesse sind möglich, doch ist ein klares Augenmerk auf den Prozess, seine Kosten und die Preise der Produkte zu legen. Zu beachten gilt, dass die Produktionskosten derzeit mindestens 10 Euro pro kg Algenbiomasse liegen und daher heute nur hochpreisige Produkte aus ökonomischer Sicht Sinn machen.
Treibstoffproduktion#
Biodiesel#
Seit einigen Jahren eine der populärsten Formen der Algennutzen ist die Gewinnung von Ölen und deren Umesterung zu Biodiesel. Jährlich werden hierzu viele wissenschaftliche und populärwissenschaftliche Beiträge veröffentlicht und auch Patente eingereicht. Wobei die Bekanntgabe einer zeitnahen wirtschaftlichen Umsetzung oft propagiert wird, aber laut Expertenmeinungen noch in weiterer Ferne liegt. Viele Algen lagern Triglyceride ein. Diese können dann mittels Katalysator und Alkohol, meist Methanol, zu Fettsäuremethylester umgeestert werden. Hierbei wird oft Chlorella sp.oder Nannochloropsis sp. eingesetzt. (Review suchen)
Biogas#
Die Nutzung von Algen für die Biogasgewinnung ist in einer technischen Broschüre von Task 37 (Energy from Biogas) der IEA Bioenergy (Internationale Energie Agentur Bioenergy) behandelt worden. Dabei findet eine Abgrenzung zwischen Mikro- und Makroalgen statt. Bei den Mikroalgen wurden auch bereits Forschungsprojekte in Österreich durchgeführt. Ist eine alleinige Nutzung der Alge zur Biogasgewinnung vorgesehen, kann unter derzeitigen technischen und wirtschaftlichen Voraussetzungen kein ökonomischer Prozess betrieben werden. Neben den zu hohen Herstellungskosten für die Algenbiomasse in Kombination mit geringen Energiekosten, sind diese Prozesse fern von einer wirtschaftlichen Umsetzung (Projekt Algae Energy Austria).
Makroalgen fallen in vielen Ländern in großen Mengen an Küsten oder in Flüssen an. Die Nutzung dieser Reststoffe zur Biogasgewinnung ist Gegenstand einiger Forschungsprojekte insbesondere in Ländern mit großen Küstenregionen wie Irland. Problematisch stellt sich bei vielen Makroalgen die biologische Verfügbarkeit heraus. Geringe Biogasausbeuten gegenüber dem vorhandenen organischen Anteil in den Makroalgen sind das Ergebnis.
Allen wirtschaftlichen Bedenken zum Trotz kann die Biogastechnologie eine entscheidende Rolle bei der Realisierung von Algen zur Rohstoffbereitstellung in der Zukunft einnehmen. Bei einer kaskadischen Nutzung von Algen bleiben nach einer möglichen Abtrennung höherwertiger Produkte organische Reststoffe übrig, die zur Biogasgewinnung und Konditionierung von Nährstoffen dienen können.
Produkte aus Algen#
Die Nutzungsmöglichkeiten von Algen sind weit größer als die Produktion von Treibstoffen. So können Algen für die Gewinnung verschiedener Produkte für Lebensmittel, Kosmetika, chemische Industrie etc. verwendet werden. Die Produktpalette reicht von Pigmenten, β-Carotin, Polysaccharide, Triglyceride, Fettsäuren, Omega-3 Fettsäuren, Vitamine bis hin zu Hydrokolloide, wie Alginate, Agar und Carrageen. Einige Produkte werden bereits industriell hergestellt und haben sich bereits etabliert, andere befinden sich in der Entwicklung.
Forschungen#
Im Folgenden sollen ein paar Forschungsprojekte kurz vorgestellt werden. Es soll nur ein kleiner Auszug sein und hegt nicht den Anspruch alle Forschungsprojekte abzudecken.CO2USE#
Der überwiegende Teil des verwendeten Kunststoffs basiert auf Erdöl und ist nicht biologisch abbaubar. Daher gibt es bereits seit Jahren Bestrebungen, biobasierte und biologisch abbaubare Biopolymere wie beispielsweise Polyhydroxybuttersäure (PHB) herzustellen. Zu Beginn des Projekts war der Stand der Technik die PHB-Produktion mit heterotrophen Bakterien aus Zucker oder Stärke. Dafür sind allerdings landwirtschaftliche Flächen erforderlich, wodurch Konkurrenz zur Lebens- und Futtermittelproduktion entsteht. Eine weitere Herausforderung ist es, PHB in ausreichenden Mengen und zu akzeptablen Preisen zu produzieren, um mit den Preisen herkömmlicher Kunststoffe Schritt halten zu können. Außerdem muss die Bevölkerung auf die erheblichen ökologischen Vorteile (keine Konkurrenz zu Lebens- und Futtermittelproduktion, keine Umweltverschmutzungen, keine Schadstoffe in der Nahrungskette, keine Beeinträchtigung der Tier- und Pflanzenwelt, usw.) biologisch abbaubarer biobasierter Kunststoffe aufmerksam gemacht werden. Im Projekt CO2USE wird das biologisch abbaubare Biopolymer Polyhydroxybuttersäure mit Cyanobakterien aus CO2 und Licht hergestellt. Um die Effizienz des Prozesses zu steigern, wird nicht nur Biogas aus der restlichen Cyanobakterien-Biomasse produziert, sondern es werden auch die verbleibenden Nährstoffe rezykliert. Einer der Hauptvorteile, der sich aus diesem Prozess ergibt, ist die Einsparung von Agrarflächen durch die Verwertung des Treibhausgases CO2. Weitere Vorteile dieses Prozesses sind die Produktion von Prozessenergie und Dünger sowie die Möglichkeit der Nährstoffrückführung durch thermische und stoffliche Verwertung der Restbiomasse in einer Biogasanlage. Durch die Substitution persistenter Kunststoffe durch biologisch abbaubare Biopolymere können Verschmutzungen von Böden und Gewässern und die daraus resultierenden Auswirkungen auf Mensch und Tier stark verringert werden. Mit diesem Prozess können auf 10 Hektar 25,8 Tonnen PHB pro Jahr produziert und somit persistente Kunststoffe durch einen biologisch abbaubaren, biobasierten Kunststoff ersetzt werden. Die CO2-Emissionen des Kohlekraftwerks können um 340 Tonnen gesenkt werden, da der enthaltene Kohlenstoff im Zuge des Biomasseaufbaus gebunden wird. Die Verwendung von benötigten fruchtbaren Agrarflächen kann im Vergleich zur konventionellen PHB-Produktion um 100% reduziert werden. Durch die Rückführung der Nährstoffe aus der anaeroben Verwertung der Restbiomasse können über ein Jahr gesehen 5700 kg Stickstoff, 1470 kg Kalium und 590 kg Phosphor eingespart werden. Weiters werden innerhalb des Prozesses 395,9 MWhel und 494,9 MWhtherm produziert, wodurch allein zur Stromerzeugung der Steinkohleeinsatz um knapp 100 Tonnen reduziert werden kann. Dieses Projekt wurde unter anderem mit dem Energy Globe Awards Austria in der Kategorie „Sustainable Plastics“ mit dem ersten Platz ausgezeichnet sowie den NÖ Innovationspreis 2015 in der Kategorie Innovationen aus Forschungseinrichtungen.
NitroFix#
Im September 2017 startet unter der Leitung des IFA-Tulln der Universität für Bodenkultur Wien ein Research Studio Austria, welches sich einen biotechnologischen Ansatz zur Stickstofffixierung und Gewinnung spezifischer Aminosäuren aus N2 zum Ziel gesetzt hat. Nach einer Auswahl verschiedener Organismen wird das Bildungspotential höherwertiger Proteine untersucht. Dazu werden verschiedene Reaktorsysteme unter dem Ziel einer möglichst effizienten Fixierung vom gasförmigen N2. Als Organismen stehen unter anderem Cyanobakterien im Fokus.
Resümee#
Die Nutzung von Algen, seien es prokaryotische oder eukaryotische, besitzt großes Potential. Zu beachten ist, dass unter dem Begriff Algen eine umfangreiche Artenvielfalt verstanden wird und hier viel Forschungsbedarf besteht. In den vergangenen Jahren haben sich viele Forschungsprojekte mit der Thematik Biotreibstoffe aus Algen beschäftigt. Die Erkenntnis aus diesen Projekten ist, dass die alleinige Herstellung von Treib- und Kraftstoffen nicht der Königsweg ist. Zu hohe Herstellungskosten stehen im Vergleich zu geringen Erlösen gegenüber. Daher muss das Ziel sein, hochpreisige Produkte herzustellen und diese in einer kaskadischen Nutzung zu verwerten, um gegebenenfalls auch noch Energie bereitstellen zu können.
Nationale wie internationale Forschungsprojekte beschäftigen sich mit der überaus interessanten Thematik und werden in den kommenden Jahren weitere Anwendungsmöglichkeiten hervorbringen. Jedoch muss auch darauf hingewiesen werden, dass Algen allgemeinen biologischen und thermodynamischen Grundsätzen und Limitierungen unterworfen sind. Mitunter werden von unseriösen Anbietern Zahlen genannt, die einer genaueren Kalkulation nicht standhalten. Die österreichische Forschungslandschaft bietet bereits einige Möglichkeiten an und besitzt bereits einige Anlagenhersteller und –betreiber. Es gibt einen Markt für Produkte aus Algen in der Lebensmittel-, Kosmetikindustrie etc., doch sollten die Potentiale realistisch betrachtet und eingeordnet werden. Das Potential für Algen besteht, ist jedoch auch limitiert und muss sich einer ökonomischen Plausibilitätsprüfung unterwerfen. In einigen Bereichen der Algennutzung stehen wir an den Anfängen und erste Prozesse wurden erfolgreich umgesetzt. Seriöse Forschung und Anbieter sind das A und O für eine nachhaltige Entwicklung der Branche. Algen haben in verschiedenen Nischen ein Potential, jedoch sind sie kein Allheilmittel um alle Herausforderungen der Zukunft zu lösen.
Weiterführendes#
- Algen (Thema)
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