Lipidreiche Algenbiomasse als regenerativer Energieträger

Eine Alternative zur Produktion von Biokraftstoffen aus landwirtschaftlichen Erzeugnissen (Bioethanol aus Getreide oder Zuckerrüben, Biodiesel aus Raps- und Sojaöl) stellt Biodiesel aus Mikroalgen dar. Vorteile der Kultivierung von Mikroalgen sind ein verminderter Wasserbedarf und die Tatsache, dass keine landwirtschaftliche Nutzfläche benötigt wird. Voraussetzung für eine wirtschaftliche Nutzung und effiziente Aufarbeitung der Algenbiomasse zu Biokraftstoff ist ein hoher Lipidgehalt.

Ziel dieses Projekts ist es, einen Prozess zu etablieren, der auch unter variierenden Bedingungen im Freiland stabil läuft und Biomasse mit hohem Lipidgehalt generiert. Unter Nutzung des am Fraunhofer IGB entwickelten Flachplatten-Airlift-Reaktors konnten wir einen solchen Produktionsprozess etablieren. Wir konnten zeigen, dass hohe Lipidgehalte bei niedrigen Biotrocken­masse­konzen­­trationen und damit hohen relativen Lichtverfügbarkeiten erzielt werden können.

Derzeit werden Biokraftstoffe in erster Linie aus pflanzlichen Rohstoffen hergestellt, beispielsweise Biodiesel aus Raps- oder Palmöl. Hierzulande stehen die Ackerflächen dann nicht mehr für die Nahrungsmittelproduktion zur Verfügung, in Südostasien werden Regenwälder für Ölpalmplantagen gerodet.

Auch der hohe Wasserverbrauch beim Anbau von Landpflanzen zur Herstellung von Biokraftstoffen wird kritisch bewertet. Zudem kann die momentane Produktionskapazität und verfügbare Fläche den erforderlichen Bedarf an nachwachsenden Rohstoffen für Biokraftstoffe nicht decken.

Biodiesel aus Mikroalgen stellt eine Alternative zu heutigen Biokraftstoffen dar. Gegenüber dem Anbau höherer Pflanzen weist die Kultivierung von Mikroalgen eine Vielzahl von Vorteilen auf. Hierzu zählen ein höherer Ertrag pro Fläche, ein verminderter Wasserbedarf und die Möglichkeit, Algen auf landwirtschaftlich nicht nutzbarer Fläche zu kultivieren. Ein Konzept zur nachhaltigen energetischen Nutzung von Mikroalgen wird derzeit im Rahmen des Forschungsvorhabens EtaMax untersucht. Eingebunden in einen Stoff- und Energiekreislauf wird Algenbiomasse aus Abgasen und Abwasserströmen produziert.

Die Kultivierung der Mikroalgen findet ausschließlich autotroph unter Nutzung des Sonnenlichts statt. Von Algen produzierte Öle können energetisch als Biokraftstoff genutzt werden und entstehende Abgase werden in den Prozess rückgeführt. Die verbleibende Restbiomasse wird zu Biogas vergoren. Dieser Prozess ermöglicht es, aus Abfallströmen hochwertige Biomasse aufzubauen und diese vollständig energetisch zu verwerten.

Anforderungen an Biomasse und Produktionsprozess

Voraussetzung für eine wirtschaftliche Nutzung und effiziente Aufarbeitung der Algenbiomasse für die Produktion von Biodiesel ist ein hoher Lipidgehalt. Des Weiteren sollte das Fettsäurespektrum einen hohen Anteil gesättigter und monoungesättigter Fettsäuren aufweisen, da mehrfach ungesättigte Fettsäuren die Lagerstabilität des Algenöls herabsetzen. Die Anreicherung der Fettsäuren in Form von Triglyceriden kann durch eine Stickstofflimitierung der Mikroalgenkultur induziert werden. Die Triglyceride werden als Speichermoleküle im Zellinneren eingelagert. In Laborversuchen im Fraunhofer IGB konnten unter dauerhafter künstlicher Beleuchtung Lipidgehalte von bis zu 70 Prozent [w/w] erreicht werden.

Für die Produktion von Algenbiomasse zur energetischen Verwertung ist eine Übertragung dieses Prozesses in das Freiland unter Nutzung des Sonnenlichts notwendig. Hier besteht die Herausforderung darin, einen Prozess zu etablieren, der auch unter  variierenden Bedingungen im Freiland stabil läuft und Biomasse mit hohem Lipidgehalt generiert. Denn der gegebene Tag-Nacht-Rhythmus und veränderliche Witterungsbedingungen resultieren in schwankenden Prozesstemperaturen und Lichtverhältnissen.

Freilandanlage zur Lipidproduktion

Zur Charakterisierung des Lipidproduktionsprozesses mit der Mikroalge Chlorella vulgaris wurde in den Jahren 2010 und 2011 eine Versuchsanlage mit fünf nach Süden ausgerichteten 30-Liter-Flachplatten-Airlift-Reaktoren im Freiland betrieben. Etabliert wurde ein zweistufiger Batch-Prozess. In einer ersten Wachstumsphase von vier bis sieben Tagen wurde bei optimaler Nährstoffversorgung Biomasse produziert. Darauf folgte die Lipidproduktionsphase, in der die Algenzellen nach Stickstoff- und Phosphatlimitierung Lipide anreicherten. Im Mittelpunkt der Untersuchung stand, den Lipidgehalt der Algen zu maximieren und einen quantitativen Zusammenhang zwischen der relativen Lichtverfügbarkeit und der Biomassekonzentration zu ermitteln. Die relative Lichtverfügbarkeit beschreibt das Verhältnis von Lichteintrag zur Biomassekonzentration im Reaktor und wird in Einstein (1 Mol Photonen) pro Gramm Trockenmasse und Tag angegeben.

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Einflussgrößen auf den Lipidgehalt

Es ist gelungen, unter Freilandbedingungen einen stabilen Prozess zu etablieren, der die Produktion von Algenbiomasse mit einem sehr hohen Lipidgehalt erlaubt. So konnte mit Chlorella vulgaris eine maximale Lipidproduktivität im Freiland von 0,3 g Fettsäuren/(L*d) erzielt werden. Es zeigt sich, dass der hier eingesetzte Flachplatten-Airlift-Reaktor, der vor einigen Jahren am Fraunhofer IGB entwickelt wurde, für diesen Prozess optimal geeignet ist. Aus der Literatur ist beispielsweise bekannt, dass bei der Kultivierung in Photobioreaktoren, wie sie in Italien entwickelt und betrieben wurden, eine maximale Lipidproduktivität von nur 0,2 g Fettsäuren/(L*d) erreicht wurde.

Den Einfluss der relativen Lichtverfügbarkeit auf den Lipidgehalt der Biomasse wurde durch den parallelen Betrieb von Flachplatten-Airlift-Reaktoren mit jeweils unterschiedlichen Biomassekonzentrationen im Freiland ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass hohe Lipidgehalte von über 45 Prozent [w/w] bei niedrigen Biotrockenmassekonzentrationen und damit hohen relativen Lichtverfügbarkeiten erzielt werden.

Ausblick

Resultierend aus diesen Ergebnissen kann der hohe Lipidgehalt der Biomasse bei einer Produktion im Freiland gezielt durch die Prozessführung eingestellt werden. Eine definierte, gleichbleibende Qualität der Biomasse mit hohem Lipidgehalt stellt eine optimale Grundlage für die Entwicklung eines Aufarbeitungsprozesses zur Gewinnung von Biodiesel aus Algen dar. Aufbauend auf diesen Versuchen gilt es, den Produktionsprozess in den industriellen Maßstab zu übertragen und die Produktionskosten weiter zu senken.

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