Auswirkungen der Produktionsweise von Mikroalgen auf die Produktion von Biokraftstoffen der Zukunft

28.06.2011: Derzeit sind viele verschiedene Einsatzstoffe und Verfahren zur Herstellung von Biokraftstoffen, auf physikalisch-chemischer, biochemischer oder thermo-chemischer Basis in Diskussion und Forschung. Eine dieser Optionen ist die Produktion von Biodiesel aus Algenöl. In einem Artikel der Fachzeitschrift Biofuels zeigen Autoren des Deutschen BiomasseForschungsZentrums (DBFZ), dass mixotrophes Wachstum von Algen für die Herstellung von Biokraftstoffen aus mehreren Gründen einem heterotrophen Wachstum überlegen ist.

Algen sind die artenreichste Pflanzengruppe der Erde, sie können einen weitaus höheren spezifischen Öl-Ertrag und eine bis zu zehnmal höhere Wachstumsrate als Landpflanzen haben. Eine der interessanten Merkmale von Algen ist die Fähigkeit zu heterotrophem Wachstum; d.h. sie benötigen kein Licht für ihr Wachstum sondern beziehen ihre Energie und den benötigten Kohlenstoff ausschließlich aus organischen Komponenten (z.B. Glucose, Zucker, Stärke). Der größte Vorteil besteht hierbei in der Tatsache, dass kein Sonnenlicht für das Wachstum benötigt wird und damit deutlich kompaktere Reaktoren und damit wesentlich weniger Fläche im Vergleich zur phototrophen Algenproduktion verwendet wird.

Die theoretische Energieeffizienz zur Herstellung von Biodiesel aus Algen heterotrophen Wachstums (nach Zuführung von z.B. Glukose) kann bis zu 75% betragen, der Energieverbrauch für die Erzeugung mineralischer Nährstoffe, das Mischen, die Ernte und die Extraktion sind hierbei jedoch nicht berücksichtigt. Da Glukose, Stärke oder andere organische Nährstoffe „extern“ produziert werden müssen (in fast allen Fällen durch Landpflanzen), muss die photosynthetische Effizienz dieser Produktionsstufe der gesamten Leistungsfähigkeit des Prozesses zugerechnet werden. Obwohl die Wachstumsrate und die Effizienz der heterotrophen Algen Biodiesel-Produktion als solche (ohne Nährstoff-Produktion) recht effektiv ist, verspricht diese Produktion im Vergleich zu anderen aktuellen Biokraftstoffprozessen beim derzeitigen Kenntnisstand keinen Vorteil. Dies ist vor allem dem oben genannten Einfluss des vorgeschalteten Prozesses (der Produktion der organischen Nährstoffe aus Landpflanzen) geschuldet. Die Ausbeute in Energie pro Hektar und Jahr ist bei Einbeziehung der notwendigen Produktion der Nährstoffe (Glukose, Stärke, etc.) vergleichbar mit Bioethanol aus Zuckerrohr oder Biodiesel aus Raps und etablierten Biokraftstoffpfaden daher nicht überlegen.

Vorteile mixotrophen Algenwachstums

Im Gegensatz zu heterotrophem bietet mixotrophes Wachstum (variable Nutzung sowohl von Sonnenlicht, CO2 als auch von organischen Nährstoffen – Kombination aus photo- und heterotrophem Wachstum) verschiedene Merkmale, die im Zuge der Erforschung von Biokraftstoff aus Mikroalgen genauer untersucht werden sollten. So kann durch Zugabe von Glukose eine Erhöhung der Wachstumsrate erzielt werden. Mixotroph wachsende Algen erholen sich darüber hinaus schneller von „Bestrahlungsstress“ und eine Photoinhibition (die Hemmung der Photosynthese durch hohe Beleuchtungsstärken weit über dem Lichtsättigungspunkt) kann reduziert oder sogar gestoppt werden.

Bei der Planung und Errichtung einer Algen-Produktionsanlage sollten daher auch die Möglichkeiten von mixotroph wachsenden Algen berücksichtigt werden, da eine Erhöhung der Kontinuität, Zuverlässigkeit, und Erträge möglich ist und damit die Wirtschaftlichkeit verbessert werden kann.

Da Mikroalgen bezüglich der verschiedensten Anwendungsfelder (Biokraftstoffe, Chemikalien, Ernährung und Futtermittel) immer mehr an Interesse gewinnen, ist von einem Ausbau der Algenproduktionskapazitäten weltweit auszugehen. Die Verwendung von mixotrophen Merkmalen ist dabei ein logischer Schritt zur Stabilisierung und Verbesserung des Produktionsprozesses, muss jedoch unter ökologischen Gesichtspunkten betrachtet werden, um die Nachteile der Verwendung von organischen Nährstoffen zu minimieren.