Was auf dem Gartenteich und im Aquarium vielleicht lästig ist, ist für die Industrie ein Segen: Algen wachsen schnell und bauen klimaschädliches CO₂ in Biomasse um. Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) arbeiten daran, dieses Algenprodukt in Form von Biogas möglichst effizient nutzbar zu machen. Der Artikel stellt das Forschungsgebiet der Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing. Roland Span, Lehrstuhl für Thermodynamik an der RUB, vor.

Biogasgewinnung aus Algen
Da Mikroalgen im Vergleich zu Landpflanzen deutlich schneller wachsen, stellen sie eine attraktive Quelle zur Biomassenproduktion dar. Die Algenbiomasse kann als Nahrungs- und Futtermittel verwendet werden, aber auch für pharmazeutische Anwendungen, Hautcremes, oder Antioxidantien (z.B. Karotine) in Frage kommen, da sie hochwertige Substanzen, wie Omega 3- und Omega 6-Fettsäuren enthält. RUB-Forscher untersuchen ein anderes Einsatzgebiet: die Umwandlung der Biomasse zu Biogas. Mit dem weltweit steigenden Energiebedarf bei gleichzeitiger Abnahme von fossilen Ressourcen könnte die Bedeutung von Algen auch für eine energetische Nutzung zunehmen. Interesse an der Algenforschung zeigen derzeit besonders einige Energiekonzerne hinsichtlich einer möglichen Reduktion des von fossil betriebenen Kraftwerken ausgestoßenen Kohlendioxids.

Interdisziplinäre Arbeitsgruppe
Dr.-Ing. Mandy Gerber und Dipl.-Biol. Sebastian Schwede (Abb. 1) aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing. Roland Span untersuchen derzeit mit Hilfe verschiedener Experimente das Potential der Algenbiomasse für die Biogasproduktion. Die Daten sollen zeigen, ob eine Biogasproduktion aus Algenbiomasse energetisch, ökologisch und auch ökonomisch sinnvoller ist als die derzeit favorisierte Biogasproduktion aus Energiepflanzen. Umweltingenieurin Mandy Gerber forscht seit acht Jahren am Lehrstuhl für Thermodynamik. Eine ihrer aktuellen Aufgaben ist der Aufbau einer interdisziplinären Biogasgruppe. In dieser Gruppe beschäftigen sich neben dem Biologen Sebastian Schwede die Maschinenbauerin Alexandra Kowalczyk und der Chemie-Verfahrenstechniker Zia-ur Rehman mit der Erzeugung von Biogas.

Einzeller auf Hochtouren
Die Potentiale der Algenbiomasse werden zunächst in so genannten Batch-Versuchen im Labormaßstab überprüft (Abb.

2). Die Bochumer Forscher erhalten hierzu Algen aus den Reaktoren des Braunkohlekraftwerkes Niederaußem der RWE Power AG (Abb. 3). Auf dem Gelände dieses Braunkohlekraftwerks sammelt die RWE Power AG bereits seit November 2008 Erfahrungen mit der Algenzucht. Damit die Algen in den Polyethylenschläuchen gedeihen, benötigen sie Sonnenlicht und als geeignete Kohlenstoff-Quelle CO₂, welches aus den Abgasen des Kohlekraftwerkes abgezweigt wird.
Jede Algenzelle ist zur Fotosynthese fähig, daher wachsen sie bis zu zehn Mal schneller als Landpflanzen. Eine rasche und energieeffiziente Produktion von Algenbiomasse hängt entscheidend von der Konstruktion des Fotoreaktors ab, der das eingestrahlte Licht möglichst effizient nutzen sollte. Wo die geografischen Voraussetzungen für die Algenzucht günstig sind, wie etwa in Israel oder auf Hawaii, werden riesige Teichsysteme zur Algenzucht angelegt. In unseren Breiten wird dagegen hauptsächlich mit Fotobioreaktoren gearbeitet und der Markt hat eine breite Palette an Systemen zu bieten. Die Durchmesser der Fotobioreaktoren dürfen nicht zu groß sein, da das Licht möglichst viele der einzelligen Wasserbewohner treffen soll. Zur Algenernte wird die grüne Masse mit Zentrifugen von einem Großteil der Flüssigkeit befreit.
Aufgrund ihres schnellen Wachstums verwenden die Bochumer Forscher für ihre Untersuchungen den Einzeller vom Typ Nannochloropsis salina. Diese Algenart kommt in den Küstengewässern des Ozeans vor und fixiert hohe Mengen an CO₂.
An dieser Spezies untersuchen die Bochumer Forscher, wie effizient sich die produzierte Alge in Biogas umwandeln lässt. Hierzu wird die Algenbiomasse mit Mikroorganismen versetzt, welche die Zellen zersetzen und durch Fermentation ein Gasgemisch bilden. Es besteht hauptsächlich aus Methan und Kohlendioxid.

Bislang wird in deutschen Biogasanlagen vornehmlich Maissilage zu Biogas umgewandelt. Mais hat bei der Biogasproduktion einen hohen Ertrag, weil er reich an Kohlenhydraten ist, die schnell zu Biogas fermentiert werden können. Dagegen finden sich in Algen hohe Gehalte an Eiweißen und Fetten, die zwar zu höheren Gasausbeuten und erhöhten Methananteilen führen, aber wegen der robusten Zellstruktur der Einzeller den Biogas-Bakterien kaum zugänglich sind. Sebastian Schwede meint hierzu: „Die Algen sind durch die Einlagerung von aliphatischen Polymeren gegen chemische und enzymatische Hydrolyse geschützt."
Um die stabile Zellstruktur der Algen zu knacken, versucht die Biogasgruppe der Ruhr-Universität, die Algen durch Erwärmen, Einfrieren, mit Mikrowellen, Ultraschall sowie mit Druck aufzubrechen. So erreichen die Wissenschaftler zum Beispiel nach einer achtstündigen Erhitzung auf 100 Grad eine um 50 Prozent höhere Biogasausbeute (Abb. 4).