Einzeller auf Hochtouren: Biogasgewinnung aus Algen

  • Abb. 1: Umweltingenieurin Mandy Gerber und Biologe Sebastian Schwede beschäftigen sich mit der Biogasproduktion aus Algen.Abb. 1: Umweltingenieurin Mandy Gerber und Biologe Sebastian Schwede beschäftigen sich mit der Biogasproduktion aus Algen.
  • Abb. 1: Umweltingenieurin Mandy Gerber und Biologe Sebastian Schwede beschäftigen sich mit der Biogasproduktion aus Algen.
  • Abb. 2: Algen unter der Lupe: Die Forscher drehen im Labor an verschiedensten Stellschrauben, um die Biogasausbeute zu maximieren.
  • Abb. 3: Für die Produktion von Biomasse eignen sich besonders Fotobioreaktoren. Diese können auf Brachflächen stehen. In ihnen werden mit Hilfe der Lichtenergie das Klimagas CO2 und Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor in Biomasse umgewandelt. Im abgebildeten Reaktor sind Ausbeuten zwischen 100 und 120 Tonnen pro Hektar möglich. Bild: RWE Power AG
  • Abb. 4: Durch die Vorbehandlung der Algen ließ sich die spezifische Biogasproduktion steigern – je nach Behandlungsverfahren um 33 Prozent (DR), 40 Prozent (MW) und 58 Prozent (EW). (Spezifische Biogasproduktion: Biogasvolumen im trockenen Normzustand/Kilogramm Organik, A = Alge; EF = Einfrieren; US = Ultraschall; DR = Druck; MW = Mikrowelle; EW = Erwärmen)
  • Abb.5: Die Kovergärung stabilisierte und erhöhte den Gasertrag im Verlauf der Biogasproduktion im Vergleich zu den Einzelvergärungen von Maissilage (MS) und Corn-Cob-Mix (CCM). (Biogasproduktion: Biogasvolumen im trockenen Normzustand; Einzelsubstrate: Alge (A), Maissilage (MS) und Corn-Cob-Mix (CCM); Mischungsverhältnisse der Substrate: 1A/6MS, 1A/2MS, 2A/1MS, 1A3/CCM)

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).

Algen vs. Nutzpflanzen
Die Forscher testen jedoch nicht nur Algen, sondern auch Mischungen mit anderen Energiepflanzen. Dabei beobachteten sie synergetische Effekte. Mandy Gerber beschreibt die Ergebnisse: „So erzeugt zum Beispiel eine bestimmte Menge Mais 500 Liter Gasgemisch, dieselbe Menge Algen 200 Liter. Bei der Kovergärung wurden aufgrund von synergetischen Effekten aber nicht 700 Liter, sondern 800 bis 900 Liter Gasgemisch erzeugt." Hierzu liefern die Algen die für den Prozess benötigten Spurenelemente: Dies steigert die Gasausbeute des gesamten Prozesses (s. Abb. 5).
Ein Traum der Algenforscher ist, die Mikroalgen in kargen Landschaften zu vermehren. Umweltingenieurin Mandy Gerber: „Ich finde die Idee, die Brachflächen der Wüsten für Algenkulturen zu nutzen, faszinierend." Gerade bei der energetischen Verwendung von Mais kommt es immer wieder zur Diskussion um die Konkurrenz zu Nahrungsmitteln. Bei der Produktion von Algenbiomasse ist kein fruchtbarer Acker notwendig. Das sehen beide Forscher als einen entscheidenden Vorteil der Mikroalgen.
Die Fotosynthesereaktion höherer Pflanzen liefert zudem bei der Umwandlung des Lichtes in chemische Energie nur geringe Ausbeuten von etwa zwei bis fünf Prozent; bei Algen treten Ausbeuten von sechs bis acht Prozent auf. Algen benötigen neben einigen Spurenelementen meistens nur Meerwasser, das in großen Mengen zur Verfügung steht. Dagegen wird zur Kultivierung von Landpflanzen häufig Dünger benötigt. Pro Hektar produzieren Mikroalgen das bis zu Sechsfache an Biomasse im Vergleich zu Landpflanzen. Hundert Tonnen dieser Biomasse fixieren dann 183 Tonnen CO2.

Biogas - Energieträger der Zukunft?
Biologe Sebastian Schwede meint: „Definitiv bin ich ein Verfechter von Biogas, in meinen Augen ist das einer der stärksten regenerativen Energieträger, der zur Verfügung steht." Er begründet seine Aussage mit den vielfältigen Nutzungsmöglichkeiten des Gasgemisches aus Biomasse. So wird es bereits in Blockheizkraftwerken effizient in Wärme und Strom umgewandelt. Auch Autos können mit dem Gas für die individuelle Mobilität betankt werden. Aufgereinigt kann Biogas den Gasnetzen zugeführt werden. Dabei ist dieser Energieträger im Gasnetz speicherbar. Hier sieht Schwede für die Zukunft ein riesiges Potenzial.
Lediglich die Verwendung von Nahrungsmitteln für die Erzeugung regenerativer Energie steht den vielfältigen Vorteilen gegenüber. Die Nutzung von Algenbiomasse wird daher zukünftig an Bedeutung gewinnen. Zudem können verschiedene Verwendungsmöglichkeiten der Algenbiomasse miteinander kombiniert werden, so dass die Algenbiomasse beispielsweise nach der Extraktion der Lipide für die Biodieselproduktion oder der Extraktion von hochwertigen Fettsäuren für pharmazeutische oder kosmetische Anwendungen zu Biogas umgesetzt werden kann.

 

GIT Webtipp:
20 Jahre RUBIN, das Wissenschaftsmagazin der Ruhr-Universität Bochum: Jubiläumsausgabe

 

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