Eine ungewöhnliche Anlage zur Energiegewinnung betreibt die Professur für Abfall- und Ressourcenmanagement der Universität Gießen in Kooperation mit der Algenland GmbH: Kleine grüne Einzeller, Algen oder genauer gesagt: mikroskopisch kleine Mikroalgen, leben dort in offenen Becken, wandeln klimaschädliches CO2 in lebensnotwendigen Sauerstoff um und lassen sich anschließend noch zur Energiegewinnung nutzen

Gäth, Stefan

Schneider, Janine

German

Giessener Elektronische Bibliothek

54 Justus-Liebig-Universität GießenMikroalgen –  rohstoffquelle der zukunft?regenerative Biomasse und träger erneuerbarer energieVon Janin Schneider und Stefan GäthSpiegel der Forschung · Nr. 1/2012 55Mikroalgen –  Rohstoffquelle der Zukunftunbekannte energiequelle aus den tiefen der Meere – Was könnte damit wohl gemeint sein? ein wenig erinnert diese Beschreibung an frank schätzings Bestsellerroman „Der schwarm“. Doch die von der Professur für abfall- und ressour-cenmanagement der Justus-Liebig-universität Gießen in Kooperation mit der algenland Gmbh betriebene anlage zur energiegewinnung ist von science-fiction weit entfernt. Kleine grüne einzeller leben dort in offenen Becken, wandeln klima-schädliches cO2 in lebensnotwendi-gen sauerstoff um und lassen sich anschließend noch zur energie-gewinnung nutzen. Des rätsels Lösung ist uralt, natürlichen ur-sprungs und jedem von uns auf die eine oder andere Weise bekannt:  es sind algen, genauer gesagt  mikroskopisch kleine Mikroalgen. Die Produktion von Algen ist prinzipiell nicht neu. In Asien oder auch auf Sylt werden Ma-kroalgen im großen Maßstab für die Herstellung von Nahrungsmitteln ge-züchtet. Im Gegensatz zu Mikroalgen (Abb. 1) können Makroalgen allerdings nur eine deutlich geringere Menge an Biomasse vegetativ und generativ pro-duzieren. Ferner lagern Makroalgen im Gegensatz zu Mikroalgen keine Öltrop-fen, die den Energieträger der Algen darstellen, im Inneren ihrer Zellen ein. Noch dazu können sich Mikroalgen unter optimalen Lebensbedingungen täglich mehrmals teilen und generie-ren so große Mengen an Biomasse. Damit sind sie möglicherweise eine der erneuerbaren Energiequellen der Zukunft, wobei noch einige Fragen im Labor- und Feldmaßstab zu klären sind. Dazu zählt der Einfluss des Lichts ebenso wie die Frage, unter welchen Lebensbedingungen – oder besser: Le-benserfahrungen – Algen am meisten Fettreserven einlagern und die höchste Biomasseproduktion erreichen.  algenbiologie und KonditionierungAls die Arbeitstiere der Primärproduk-tion auf der Erde leben Algen in nahezu allen Gewässern. Sie gelten als extrem anpassungs- und widerstandsfähig und weisen eine hohe Biodiversität auf. Es wird geschätzt, dass zwischen 200.000 und mehrere Millionen verschiedene Arten von Algen existieren, von denen bisher nur sehr wenige bekannt sind und genauer untersucht wurden. Für ein gutes Wachstum benötigen Algen lediglich Wasser, CO2, Wärme und Licht. Wie die Landpflanzen betreiben sie Photosynthese, um aus Kohlendi-oxid und Wasser Sauerstoff und Bio-masse zu erzeugen. Das Wachstum vieler Algen, insbe-sondere der nur wenige Mikrometer großen Mikroalgen, beruht auf dem Prinzip der Teilung. Im Wachstum der Mikroalgen liegt auch ihr Erfolgs-geheimnis begründet, denn dieses ermöglicht es ihnen, große Mengen an Biomasse in sehr kurzer Zeit zu produzieren. Auf gleicher Fläche er-reichen Mikroalgen so Erträge, die solche herkömmlicher Kulturpflanzen wie Mais, Raps, Soja oder Zucker-rohr um die drei- bis fünffache Menge übersteigen. Mit dieser Flächeneffizi-enz sind ideale Voraussetzungen ge-geben, Algen als erneuerbare Biomas-seenergieträger zu nutzen. Im Zuge der Photosynthese bilden Mikroalgen sowohl komplexe Eiweißstrukturen als auch Lipide im Zellinneren. Die-se eingelagerten Lipidtropfen können wie die Öle und Fette traditioneller Energiepflanzen extrahiert und zur Energieproduktion eingesetzt werden. Wissenschaftliche Studien zeigen, dass einige der bisher untersuchten Mikroalgen einen Lipidgehalt von über 50 % ihrer Trockenmasse auf-weisen können und damit den Land-pflanzen deutlich überlegen sind. Bei optimalen Wachstumsbedingungen Abb. 1: Getrocknete Mikroalgen-biomasse56 Justus-Liebig-Universität GießenSchneider, Gäthkann ein Trockenmasseertrag von 60 bis 100 Tonnen pro ha und Jahr er-reicht werden. Im Vergleich dazu wer-den durchschnittlich 50 bis 60 Tonnen Silomais Frischmasse pro ha und Jahr erzeugt, unter Berücksichtigung eines Trockensubstanzgehaltes von ca. 30 bis 35 Gewicht-% entspricht dies ei-nem Trockenmasse-Ertrag von 15 bis 23 Tonnen pro ha und Jahr.  algen-forschung an der universität GießenIm Rahmen der Forschungsarbeiten an der Professur für Abfall- und Ressour-cenmanagement erfolgt ein Screen-ing unterschiedlicher Algenarten im Hinblick auf ihre Eignung zur Zucht und Energiegewinnung (Abb.  2). Da-bei werden insbesondere die Para-meter Biomasseproduktion, Ölgehalt und CO2-Bindungspotenzial genauer untersucht, aber auch Faktoren wie Resistenz, Erntbarkeit und Anpas-sungsfähigkeit finden bei der Auswahl geeigneter Arten Berücksichtigung (Abb. 2). Die Vielzahl von Arten, von de-nen ein Großteil bis heute nicht genau-er untersucht wurde, stellt möglicher-weise ein großes, noch unbekanntes Potenzial dar. Auf der Grundlage der „Sammlung von Algenkulturen Göttin-gen“ (SAG) werden die verschiedenen Algenstämme im Hinblick auf ihren praktischen Nutzen untersucht. Die SAG, die seit Ende des 19. Jahr-hunderts besteht, kann auf rund 2.600 Algenstämme zurückgreifen. Von die-ser Vielzahl an Stämmen werden in einem ersten Schritt unterschiedliche Mikroalgen nach speziellen Kriteri-en wie Biomassebildung, Herkunft, Oberflächenbeschaffenheit, Wachs-tumsgeschwindigkeit, Widerstandsfä-higkeit etc. ausgewählt und in Vorver-suchen getestet. Anschließend werden die Stämme, die im Hinblick auf die genannten Kriterien positiv bewertet werden, in weiteren Versuchen auf ihre CO2-Verträglichkeit, ihre spezifi-schen Lipid-Gehalte und ihr Biomas-sebildungs- bzw. CO2-Fixierungspo-tenzial untersucht (Abb. 3).Um die genutzten Mikroalgen zwei-felsfrei bestimmen sowie ein Quali-tätsmanagement aufbauen zu können, gilt es, da die physiologischen Versu-che unter nicht sterilen Bedingungen durchgeführt werden, zu überprüfen, inwiefern sich Wildalgenpopulatio-nen in den Versuchsgefäßen sowie im Race-Way-Pond-System, einem Umlaufbecken zur Anzucht von Al-gen, in der Klimakammer etablieren (Abb. 4). Dazu werden in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Anne-gret Wilde, Institut für Mikrobiologie und Molekularbiologie der Universität Gießen, die Kulturen mit molekularen Methoden untersucht. Für die meis-ten der verwendeten Algenstämme aus der SAG sind die DNA-Sequenzen noch nicht bekannt. Deshalb werden zunächst die DNA-Sequenzen für die Originalkulturen aus der Stamm-sammlung bestimmt, um sie dann mit den Kulturen aus den Versuchen ver-gleichen zu können. Eine weitere zentrale Aufgabe bildet im Rahmen der Forschungsarbeiten die Entwicklung einer energiearmen, effizienten Erntemethode. Bisher be-stehende Techniken, wie etwa die Zentrifugation, verbrauchen ein hohes Maß an (fossiler) Energie und schei-den damit sowohl aus ökonomischer als auch aus ökologischer Sicht aus. Der von der Professur für Abfall- und Ressourcenmanagement verfolgte An-satz basiert auf der Technik der Flota-tion. Dabei tragen kleinste Luftblasen die Mikroalgen an die Oberfläche, wo sie anschließend abgeschöpft und in einem weiteren Schritt getrocknet wer-den. Diese Ernte-Methode zeichnet sich sowohl als überaus energiearm als auch als extrem effizient aus (Abb. 5).integrierte ProduktionsansätzeHinsichtlich ihrer ökologischen Aus-wirkungen wird bei der Algenzucht ein hohes Maß an Ressourcenschonung er-reicht. Fossile Energieträger kommen für Aufgaben der Düngung, des Pflan-zenschutzes oder der Bodenbearbei-tung nicht zum Einsatz. Ein wichtiges Argument für Biomasse aus Algen ist, dass Algen als Aquakultur keine Kon-kurrenz mit Böden der Nahrungsmit-telproduktion bedingen. Die Anzucht Abb. 3: Versuchsreihe zum Einfluss von Kraftwerksabgasen auf das Wachstum von MikroalgenAbb. 2: Mikroskopische Aufnahme einer MikroalgeSpiegel der Forschung · Nr. 1/2012 57Mikroalgen –  Rohstoffquelle der Zukunftvon Mikroalgen kann auf landwirt-schaftlich nicht nutzbaren Böden, auf versiegelten Flächen oder auch auf Dä-chern geschehen. Damit erfahren die Märkte der biogenen Energie und der Nahrungsmittel eine wirtschaftliche Entkoppelung und die vieldiskutierte Frage nach „Tank oder Teller?“, die sich bei anderen erneuerbaren Ener-gieträgern stellt, erübrigt sich hier. Weiterhin bilden Algenerzeugung und Algenverwertung ein Gesamtkonzept zur Nutzung von klimaschädlichem CO2 und bisher häufig ungenutzter Abwärme von Generatoren und Indus-trieanlagen auf der einen Seite und zur Herstellung eines wertvollen Rohstof-fes auf der anderen Seite.  Die gewon-nenen Extraktionsrückstände bzw. die erzeugte Algenbiomasse stellen einen hervorragenden und vielseitig einsetz-baren Rohstoff dar (Abb. 5).  PilotanlageVor dem Hintergrund der Kreislauf-idee baut die Algenland GmbH in en-ger Kooperation mit der Professur für Abfall- und Ressourcenmanagement der Justus-Liebig-Universität Gießen eine Algenzuchtanlage, die im Zusam-menspiel mit einer Biogasanlage be-trieben wird und somit die Bedingun-gen einer Kreislaufwirtschaft erfüllt. Die Zucht der Mikroalgen erfolgt in großen wassergefüllten halboffenen Becken, den so genannten Ponds, in denen eine ständige Strömung und CO2-Begasung die Einzeller zum Wachsen anregen. Der im Zuge der Biomassebildung geschätzte Ver-brauch an CO2 liegt dabei bei 1,8 bis 2 Tonnen CO2 pro Tonne erzeugter Tro-ckenmasse. Das bedeutet, mit Algen kann klimarelevantes CO2 effizienter gebunden werden als mit gängigen Energiepflanzen. Gleichzeitig wird die Abwärme der jeweils genutzten Industrie- oder Biogasanlage zur Er-wärmung der Algensuspension, also der Kultivierungsflüssigkeit, und zur Trocknung der generierten Biomasse genutzt. Als Lichtquelle, die für das Wachstum der Algen unabdingbar ist, dient Sonnenlicht, da sich eine künstliche Beleuchtung aufgrund der entstehenden Kosten als zu teuer und damit als ineffizient erwiesen hat. Die Gesamtgröße eines von ins-gesamt vier Becken umfasst jeweils 400  m² Wasserfläche mit einer Tiefe von ca. 30 cm, was einem Gesamtvolu-men von rund 120 m³ Algensuspension entspricht. Zum Schutz vor möglichen negativen externen Umwelteinflüs-sen, wie Verschmutzung durch Tiere, Laub oder ähnliches, befinden sich die Ponds unter handelsüblichen Gewächs-häusern, wie sie auch im gartenbauli-chen Bereich Einsatz finden (Abb. 6).Gedüngt und ernährt von einströ-mendem CO2 aus dem Abgas des Blockheizkraftwerkes (BHKW) der Biogasanlage, wachsen dort Mikro-algen unter Freiluftbedingungen. Die Gärrückstände der Biogasanlage die-nen als zusätzliche Nährstoffe. Die Synergien dieses Verfahrens sind of-fensichtlich: Zum einen findet durch die Umwandlung des CO2 in Sauerstoff und Biomasse eine Neutralisation des klimaschädlichen Gases statt. Zum anderen entsteht durch die Nutzung der Abwärme des BHKWs ein Kraft-Wärme-Kopplungs-Konzept, das nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütet wird. Unter diesen idealen Voraussetzungen wachsen die Mikroalgen optimal, können ihr enormes Potenzial entfalten und ent-sprechend größere Mengen an klima-schädlichem CO2 binden. stoffliche VerwertungDas Nutzungsspektrum von Mikroal-gen oder aus ihnen gewonnenen Pro-dukten ist sehr breit und reicht vom Einsatz in der Nahrungs- und Futter-mittelindustrie über den Gebrauch der Produkte als Düngemittel oder in Abb. 4: Versuchsaufbau in einer der Klimakammern des Biotechni-kums der Universität Gießen58 Justus-Liebig-Universität GießenSchneider, GäthAquakulturen bis hin zur Verwendung hochwertiger Algenextrakte in Kos-metik, Pharmazie und Medizin. Der weltweit größte Markt für Mikroalgen findet sich in China, Korea und Japan sowie an den Pazifikküsten Südameri-kas, Australiens und Neuseelands wo Algen schon seit Jahrhunderten tradi-tionell zum täglichen Speiseplan ge-hören. Der Einsatz von größeren Men-gen an Mikroalgen in Europa begann erst deutlich später mit Forschungsar-beiten im Auftrag des Nazi-Regimes gegen Ende des Zweiten Weltkriegs. Heutzutage gelangt die reine Algen-biomasse in erster Linie als Nahrungs- und Nahrungsergänzungsmittel in Form von Tabletten, Pulver, Kapseln oder Pasten auf den europäischen Markt. Weiterhin finden sich Spuren Wirkung vieler Algeninhaltsstoffe dem momentanen europäischen und amerikanischen Zeitgeist der „ewigen Jugend“ entspricht. Gerade im Nah-rungsmittel- und Futtermittelbereich sind die in Mikroalgen häufig ent-haltenen essentiellen omega-3- und -6-Fettsäuren von besonderem Inte-resse, da diese weder von Menschen noch von Tieren selbst synthetisiert werden können.energetische VerwertungEin weiterer möglicher Markt für Mi-kroalgen, der in den letzten Jahren immer mehr in das Interesse der Öf-fentlichkeit gerückt ist, ist der Ener-giesektor. Durch die Fähigkeit vieler Mikroalgen große Mengen an Lipiden und/oder Proteinen zu speichern, bie-ten sie die Grundvoraussetzungen für ihre Nutzung als erneuerbarer Ener-gieträger. Bei Nutzung von Mikroal-gen als Träger erneuerbarer Energi-en wird grundsätzlich zwischen zwei möglichen Techniken zur Energieer-zeugung unterschieden. Zum einen ist der Einsatz der Algenbiomasse zur Vergasung in einer Biogasanlage zum Zwecke der anschließenden Stromge-winnung möglich. Zum anderen be-steht die Option, die im Zellinnern der Mikroalgen enthaltenen Lipidtropfen zu extrahieren und nach einer Veres-terung als Biodiesel zu nutzen. Beide Wege sind möglich und können sowohl im Labor- als auch im Feldmaßstab er-folgreich in die Praxis umgesetzt wer-den. Die Erzeugung von Mikroalgenöl ist derzeit allerdings noch nicht in in-dustriellem Großmaßstab wirtschaft-lich umsetzbar. Grund dafür sind in erster Linie die sehr hohen Kosten für die Extraktion. Prinzipiell ist aber ein Die autOren Janin schneider, Jahrgang 1982, Bachelor-Studium „Agrarwissen-schaften und Umweltmanagement“ an der Justus-Liebig-Universi-tät Gießen, anschließend Master-Studium „Umwelt- und Ressour-cenmanagement“ an der Universität Gießen; Promotion: 2011 mit einer Dissertation über das Biomassebildungspotenzial von Mikroalgen an der Pro-fessur für Abfall- und Res-sourcenmanagement. Sie ist seit 2011 Wissenschaft-liche Mitarbeiterin an der Professur für Abfall- und Ressourcenmanagement.stefan Gäth, Jahrgang 1959, von 1979 bis 1984 Studium der  Agrarwissenschaften an der Universität Göttingen. Seit 1995 ist er Professor für Abfall- und Ressourcenmanagement am Institut für Landschaftsökologie und Ressourcenmanagement der Universi-tät Gießen. Seit 2005 ist er Sprecher des Technologie-beirates des Landes Hessen und Technologiebeauftrag-ter für die Sparte Umwelt-technologie und seit 2007 Gründer und Mitglied des KompetenzNetzes Umwelt-Technologie KNUT.von Mikroalgen in allen möglichen Kombinationen in Produkten wie Kau-gummis, Getränke, Joghurts, Kekse, Müsli- und Schokoriegel, Gummibär-chen etc.. Insbesondere im „Health-Food“- und Anti-Aging-Bereich finden mit Algen versetzte Produkte großen Absatz, da die probiotische und ver-jüngende – wenn auch nicht immer wissenschaftlich nachgewiesene – Abb. 5: Flotierte Mikroalgen-biomasseSpiegel der Forschung · Nr. 1/2012 59Mikroalgen –  Rohstoffquelle der Zukunftunternommen werden, Mikroalgen als erneuerbare Energieträger nutzbar zu machen. Dies zeigt sich insbesondere in der Tatsache, dass die Anzahl der-artiger Forschungsvorhaben schon jetzt stetig steigt und das energetische Potenzial von Mikroalgen auch den großen Firmen der Energiebranche immer deutlicher wird. Zudem sind Mikroalgen als erneu-erbare Energieträger in der Lage hohe Mengen an Kohlendioxid zu binden. Im Vergleich zu anderen Energiepflan-zen sind sie in ihrer Effizienz konkur-renzlos. Die Biologie liefert damit sehr wahrscheinlich eine weitere, mögliche Lösungsstrategie aus unserer Ener-gie- und Klimafalle. Allerdings wird nur eine ausgeglichene Mischung aus klimafreundlicher und CO2-arm erzeugter Energie, in Verbindung mit erneuerbaren Energieträgern und ef-fizienten CO2-Bindungs-Konzepten den weiteren Anstieg des atmosphä-rischen CO2-Gehalts und damit eine weitergehende Klimaerwärmung auf-halten können. Mikroalgen können (und werden) dabei – nicht allein, aber doch zu einem guten Teil – ihren Bei-trag leisten. Nun kommt es darauf an, technische Lösungen zu entwickeln, die ohne großen Bedarf an fossilen Energieträgern die erneuerbaren Energiepotenziale von Mikroalgen zur Verfügung stellen.KOntaKtProf. Dr. stefan Gäth Dr. Janin schneider Justus-Liebig-Universität Institut für Landschaftsökologie und  Ressourcenmanagement IFZ für Umweltsicherung Heinrich-Buff-Ring 26-32, 35392 Gießen Telefon: 0641 99-37393 stefan.a.gaeth@umwelt.uni-giessen.de janin.schneider@umwelt.uni-giessen.deEinsatz des Öles neben der Nutzung als Biodiesel auch in Form von Kerosin in der Luftfahrt denkbar. Erste Flug-versuche mit einem rein mit Algen-treibstoff betriebenen Flugzeug sollen bereits erfolgreich durchgeführt wor-den sein.  Der Einsatz von Mikroalgenbiomas-se zur Vergasung in Biogasanlagen ist dagegen schon heute wirtschaft-lich umsetzbar, insofern die erzeugte Biomasse nicht ausschließlich als Gär-substrat eingesetzt, sondern auch in stofflicher Form ökonomisch verwer-tet wird. Durch die Verwendung aller bei der Produktion anfallenden Rück-stände entstehen in der Algenzucht keinerlei Abfälle und ein geschlos-sener Produktionskreislauf wird er-reicht. Eine Algen-Kreislaufwirtschaft ist entstanden.Wie sieht die zukunft aus?Die Reise in das Jahrtausend der Ener-gie- und Wasserknappheit hat begon-nen. Der Blick in die Zukunft zeigt, dass die Forschungen im Bereich der Mikroalgen-Biotechnologie auch in den nächsten Jahren und Jahrzehnten weitergeführt werden. Vor dem Hin-tergrund globaler Erwärmung und der stetig steigenden Weltbevölkerung ist eine Forderung klar formuliert: „low impact, longterm usage“. Deshalb ist damit zu rechnen, dass die derzeit ver-gleichsweise hohen Produktionskos-ten durch immer effizientere Produk-tions- und Erntemethoden innerhalb der nächsten 10 bis 15 Jahre drastisch sinken werden. Auch im Bereich der Energiebranche ist davon auszugehen, dass zukünftig weitere Anstrengungen Abb. 6: Halboffener Pond der Algenland GmbH zur Anzucht von Mikroalgen

Mikroalgen  Rohstoffquelle der Zukunft? : Regenerative Biomasse und Trägererneuerbarer Energie

http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2012/8787/pdf/SdF_2012_1_54_59.pdf

Mikroalgen Rohstoffquelle der Zukunft? : Regenerative Biomasse und Trägererneuerbarer Energie

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