Algenbioreaktoren und Photobioreaktoren

Die NASA startete 2009 den OMEGA-Photobioreaktor (Offshore membrane enclosures for growing algae) als Projekt, um Algen in kommunalen Abwässern zu züchten und Biokraftstoff zu produzieren. Der Algenbioreaktor würde nicht mit der Landwirtschaft um Land, Dünger oder Süßwasser konkurrieren, was einen erheblichen Vorteil gegenüber Biokraftstoffen aus Mais, Soja und Zuckerrohr darstellt.

Algen sind eine unglaublich vielseitige Pflanze, die in einer Vielzahl kommerzieller und industrieller Anwendungen von Energie über Öl bis hin zu Kosmetika eingesetzt werden kann und ein beeindruckendes Potenzial für die Kohlenstoffabscheidungstechnologie besitzt. Algen werden schon seit einiger Zeit in kleinem Maßstab für diese Anwendungen eingesetzt, aber Photobioreaktoren haben ein noch größeres Potenzial für Algen in all diesen Bereichen freigesetzt.

Bis vor kurzem wurden Algen in Freilandanlagen gezüchtet, die teuer und anfällig für Probleme wie Wasserverdunstung, Raubtiere, die die Algenkulturen fressen, und einen hohen Flächenbedarf sind. Photobioreaktoren hingegen sind geschlossene Kultivierungssysteme, die diese Probleme lösen und gleichzeitig die Produktionseffizienz und die Erträge steigern.

Was ist ein Photobioreaktor?

Algen-Biokraftstoff-Röhren in einem Labor

Während Bioreaktoren und Fermenter Zellkulturen mit Zucker und Sauerstoff und Mikroben mit Nährstoffen versorgen, versorgen Photobioreaktoren photosynthetische Organismen wie Pflanzen und Algen mit Licht.

Photobioreaktoren sind noch nicht in demselben Maße kommerzialisiert wie Bioreaktoren, entwickeln sich aber aufgrund der laufenden Forschung und eines besseren Verständnisses der vielen Vorteile der Algenzucht rasch weiter. Sie sind einzigartig in ihrer Fähigkeit, Kulturen effektiv zu züchten, indem sie nur Abfälle aus anderen industriellen Prozessen verwenden: Kohlendioxid, Wasser und Wärme.

Algenbioreaktoren ermöglichen Kohlenstoffneutralität in einer Vielzahl von Anwendungen

Algen für Biokraftstoffe

Aus einem Hektar Algen können 5.000 Liter Biokraftstoff gewonnen werden, womit die Effizienz mit der von Wasserkraft und Erdwärme vergleichbar ist. Algen sind hochproduktiv und können pro Hektar mehr als 80-mal mehr Öl liefern als fossile Brennstoffe, während sie gleichzeitig das Kohlendioxid in der Atmosphäre reduzieren.

Algen für Öle

Wie Mais und Sojabohnen können auch Algen zu Pflanzenölen raffiniert werden, und wie Erdöl können Algen zu Kosmetika verarbeitet werden.

Algen als Nahrungsmittel – für Mensch und Tier

Algen haben einen hohen Proteingehalt, und es könnten Stämme entwickelt werden, die eine noch höhere Proteinkonzentration aufweisen. Im Gegensatz zu anderen Pflanzen sind Algen ein vollständiges Protein, das alle Aminosäuren enthält. Außerdem enthalten sie wichtige Mikronährstoffe, Vitamine und Mineralien.

Algen als Düngemittel

Da es sich bei Algen um lebende Organismen handelt, werden sie im Boden schnell abgebaut und setzen Stickstoff frei, der für die Gesundheit des Bodens wichtig ist und das Wachstum anderer Pflanzen fördert.

Algen zur Kohlenstoffabscheidung

Wie Bäume nehmen Algen Kohlendioxid aus der Umwelt auf und geben Sauerstoff als Abfallprodukt des Stoffwechsels ab. Allerdings wachsen Algen viel schneller und benötigen weniger Platz als Bäume, was eine effizientere Kohlenstoffbindung ermöglicht.

Algen für Kunststoffe

Aus Algen können kompostierbare, umweltfreundliche “grüne Kunststoffe” hergestellt werden, die eine starke strukturelle Unterstützung bieten; und da Algen sich schnell zersetzen, landen sie nicht wie herkömmliche Plastiktüten auf der Mülldeponie.

Algen für die Abwasserreinigung

Neben der Verwendung von unbehandeltem Wasser zum Wachstum können Algen auch zur Behandlung von Industrieabwässern verwendet werden, bevor diese wieder in die kommunalen Abwässer gelangen. Der anorganische Stickstoff und Phosphor in den Wasserströmen hilft dann den Algen beim Wachstum.

Vorteile von Algenbioreaktoren

Algen wachsen dort, wo keine andere Pflanze wächst

Die Schaffung guter Wachstumsbedingungen für Algen ist sehr einfach. Algen können auf Brachland angebaut werden, das nicht für Mais, Weizen, Bohnen oder andere Kulturen geeignet ist. Sie können auch Wasser nutzen, das für Pflanzen ungeeignet ist.

Algen züchten ist einfach

Algen wandeln Kohlendioxid mit Hilfe von Sonne, Wasser und anorganischen Nährstoffen, einschließlich Kohlendioxid, in Biomasse um. Es handelt sich um einen einzelligen Organismus, der in fast jedem Klima und jeder Umgebung gezüchtet werden kann. Dies macht es sehr einfach, Algen unter kontrollierten Bedingungen zu züchten, selbst wenn keine optimalen Bedingungen erreicht werden.

Algenbioreaktoren lassen sich effektiv skalieren

Die Vergrößerung von Photobioreaktoren ist zwar eine Herausforderung, aber sie können sehr effektiv verkleinert werden, so dass mit optimierten Parametern im Labormaßstab höhere Erträge erzielt werden können. Diese Modularisierung bietet ein hohes Maß an Prozessredundanz. Während ein Scale-out für Biokraftstoffanwendungen, die von Natur aus große Chargen erfordern, wahrscheinlich nicht möglich ist, ist es für hochwertige Produkte auf Algenbasis wie Kosmetika ein vernünftiger Ansatz.

Energie aus Algen ist vollständig erneuerbar

Fossile Brennstoffe gehen schnell zur Neige, und Wind- und Sonnenenergie sind nur verfügbar, wenn die Umweltbedingungen es zulassen. Im Gegensatz dazu können Algen das ganze Jahr über schnell und effizient wachsen, in fast jeder Umgebung, und sie können mit der Infrastruktur transportiert werden, die bereits für Öl, Erdgas und Biokraftstoffe vorhanden ist.

In der Tat sind Algen oft eine kohlenstoffnegative Energiequelle. Im Jahr 2019 wurde der Eos-Bioreaktor eingeführt. Auf einer Fläche von nur 21 Quadratmetern konnte er die gleiche Menge atmosphärischen Kohlenstoffs binden wie ein Hektar Bäume und gleichzeitig verwertbare Biomasse produzieren.

Herausforderungen der Algenzucht in Photobioreaktoren

Scale-up-Taktiken sind noch in der Entwicklung

Bewährte Verfahren für die Vergrößerung von Algen in kommerziellen Photobioreaktoren befinden sich noch in der Entwicklung. Kritische Prozessparameter wie Lichtausbeute, Kohlendioxidverlust, Durchmischungseffizienz und Sauerstoffentzug können im Labor optimiert werden, wurden aber noch nicht erfolgreich in die Praxis umgesetzt.

Algen-Photobioreaktoren erfordern eine gleichmäßige Lichtverteilung

Die Ausbeute in Photobioreaktoren kann als Biomasseproduktivität pro Einheit einfallenden Lichts gemessen werden. Für ein gleichmäßiges Wachstum muss das Licht alle Algenschichten im Reaktor erreichen und durch die auftretende Selbstabschattung hindurch dringen. Wenn zu viel Licht die äußeren Schichten und zu wenig Licht die inneren Schichten erreicht, wird keine der Kulturen gut wachsen.  Die Ergebnisse eines Experiments aus dem Jahr 2015 zeigen, dass diese Herausforderung durch die Verteilung von Lichtleitfasern im gesamten Kulturmedium überwunden werden kann.

Photobioreaktoren müssen noch Größenvorteile erzielen

Aufgrund der oben genannten Herausforderungen konnten Photobioreaktoren noch keine Größenvorteile erzielen. Obwohl es klare Anzeichen dafür gibt, dass dieses Verfahren deutlich billiger wird, sobald es sich effizient skalieren lässt, stellen die derzeit erforderlichen Investitionsausgaben häufig eine Einstiegshürde dar.

Monokultur – mit Variationen

Wie bei jeder anderen Pflanze birgt der Anbau von Monokulturen in Algenbioreaktoren das Risiko von Schädlingen, Verschmutzung und Katastrophen, die die gesamte Versorgung beeinträchtigen. Alle lebenden Kulturen, auch die in Photobioreaktoren angebauten, unterliegen jedoch Schwankungen, die sich auf die Qualität auswirken können, ohne die Risiken einer Monokultur zu mindern.