Was sind Mikroalgen?
Mikroalgen sind eine sehr diverse Gruppe von Mikroorganismen, die Photosynthese betreiben und weltweit verbreitet sind. Aufgrund von Unterschieden im Aufbau zählt man sie nicht zu den höheren Pflanzen. Man findet sie in der Luft, im Boden aber vor allem im Süß- und Salzwasser. Sie unterscheiden sich dabei in Farbe, Form, Größe oder Stoffwechselprodukte.
Mikroalgen gibt es schon seit vielen Millionen Jahren. Sie spielen eine wesentliche Rolle im CO2-Kreislauf und bilden die Nahrungsgrundlage für alle Meeresbewohner. Manche von ihnen sind weniger miteinander verwandt als Mensch und Pilz. Die Größen gehen von 1µm bis zu 400µm. Das entspricht einem Größenunterschied von Fisch zu Eifelturm.
Bisher sind nur wenige 10.000 Arten bekannt. Schätzungsweise gibt es aber noch ca. 150.000 unbeschriebene Algenstämme weltweit. Von den bisher bekannten Arten nutzt man heute ca. 20 für die industrielle Herstellung von Inhaltsstoffen für Nahrungsergänzungs- und Futtermittel, Pflegeprodukte, Öle oder Pharmazeutika.
Oft verwechselt man Mikroalgen mit Cyanobakterien. Zweitere werden auch fälschlicherweise als ‚Blaualgen‘ bezeichnet und kommen häufig bei sogenannten Algenblüten zum Vorschein. Durch ihre bläulichen Farbpigmente erhalten sie ihre cyanofarbene Erscheinung. Da es sich bei ihnen um Bakterien (Prokaryoten) handelt, die Photosynthese betreiben, zählen sie nicht direkt zu den Mikroalgen (Eukaryoten). Jedoch werden auch sie schon heute für industrielle Zwecke eingesetzt (z.B. Spirulina).
50%
des weltweit produzierten O2 stammen aus Mikroalgen
50%
des weltweiten CO2 werden von Mikroalgen aufgenommen
Mikroalgen als nachhaltiger Rohstoff
Die Nutzung von Algen ist deshalb von Interesse, weil sie ein sehr breit gefächertes Repertoire an Stoffen produzieren können, die auf vielfältige Weisen genutzt werden. Da die Algen dabei über die Photosynthese CO2 aufnehmen und Sauerstoff produzieren, gelten sie als besonders nachhaltiger Rohstoff. Im Vergleich zu konventionellen Pflanzen benötigen sie weniger Platz, können in trockenen Gebieten wachsen oder in Salzwasser und kommen ohne Pestizide aus. Durch ihr pflanzenähnliches Aminosäurespektrum können sie u.a. als Futterzusatz genutzt werden und somit zu einer Verringerung der Sojaproduktion beitragen. Ebenso können die Algen Fette produzieren, die anstelle von bspw. Palmöl eingesetzt werden können.
Zudem können Algeninhaltsstoffe als Äquivalent zu tierischen Produkten genutzt werden und sind somit auch für Veganer*innen interessant. Beispiele sind Omega-3 Fettsäuren (häufig aus Fischöl), Squalen (häufig aus dem Lebertran von Haien) oder Astaxanthin (häufig aus antarktischem Krill). All diese Stoffe lassen sich auch auf natürliche Weise mit Mikroalgen herstellen.
Produktion von Mikroalgen
Um die Potentiale der Mikroorganismen für den Menschen nutzbar zu machen, muss eine beträchtliche Menge Algenbiomasse hergestellt werden. Die Mikroalgen werden dabei in einer Nährlösung unter teilweise kontrollierten Bedingungen vermehrt. Durch die Zellteilung entsteht dabei immer mehr Biomasse. Wichtig für die spätere Nutzbarkeit ist die Sicherstellung der Reinheit der Algenkultur.
Es werden für die Biomasseproduktion verschiedene Kultivierungssysteme eingesetzt. Einige Algenarten lassen sich gut in offenen Becken, sogenannten Open Raceway Ponds (Bild links), kultivieren. Für manche Mikroalgenspezies müssen erst spezielle Wachstumsgefäße entwickelt werden. So zum Beispiel geschlossene Glasröhrensysteme (Bild rechts) oder halb-geschlossene Blasensäulen (Bild mittig). Den gesamten Prozess der Biomasseproduktion nennt man Upstream.
Im anschließenden Downstreamprozess wird die Biomasse vom Wasser getrennt und weiterverarbeitet. Diese Verfahren sind technisch sehr aufwändig und teuer. Für die Ernte kommen häufig Zentrifugen oder Filtrationstechniken zum Einsatz.
Die geerntete Biomasse wird in den nächsten Schritten aufgeschlossen, getrocknet und ggf. extrahiert. Für die Extraktion von Astaxanthin wird beispielsweise überkritisches CO2 eingesetzt, welches keine Rückstände im späteren Produkt bildet.
Kleine Klimaschützer
Vor etwa 2,4 Milliarden Jahren lebten die ersten Cyanobakterien auf der Erde. Es wird angenommen, dass genau diese Organismen zur großen Sauerstoffkatastrophe („Great Oxidation Event“) geführt haben. Dahinter steht der Anstieg des Luftsauerstoffs in der Atmosphäre auf das heutige Niveau. Zuvor waren es weniger als 1%. Dies kann anhand sogenannter Stromatolithen nachvollzogen werden, die von diesen Mikroorganismen gebildet wurden. Und auch heute noch sind Algen für die Produktion von etwa 50% des globalen Sauerstoffs verantwortlich. Aber nicht nur das. Bei der Photosynthese wird etwa 1 CO2-Molekül gespalten und 1 O2-Molekül gebildet. So sorgen Algen auch für die Fixierung von etwa 50% des atmosphärischen Kohlenstoffdioxids. Einige von ihnen können sogar den Kohlenstoff für lange Zeit aus dem Kreislauf entfernen und so dem Klimawandel entgegenwirken. Eine besondere Rolle spielen hier sogenannte Haptophyten, eine hauptsächlich im Salzwasser vorkommende Mikroalgenart. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine kalkhaltige Hülle bilden, in der besonders viel CO2 gebunden ist. Wenn diese Mikroorganismen absterben, sinken sie auf den Boden und bilden auf dem Meeresboden Sedimente, die einer CO2-Speicherung entsprechen. Innerhalb von vielen Millionen Jahren sind heutige Ölvorkommen entstanden. Wir verbrennen heute in unseren Kraftwerken und Heizungen als uralte Mikroalgenbiomasse.
Wissenschaftler*innen versuchen schon seit vielen Jahren den Prozess der Kraftstoffgewinnung mit Mikroalgen nachzustellen. Quasi den natürlichen Erdölbildungsprozess im Labor auf wenige Wochen oder Monate zu verkürzen. Der dabei entstehende Biokraftstoff ist CO2-neutral. Und es funktioniert! Autos und sogar Flugzeuge wurden bereits erfolgreich mit diesem Biokraftstoff getestet. Da die Herstellungskosten jedoch zu hoch sind, wird es noch dauern, bis es womöglich eine grüne Alternative aus Algen geben wird. Mit der zunehmenden Verknappung der weltweiten Erdölressourcen und dem gesellschaftlichen Wandel, hin zu einer nachhaltigen Bioökonomie, könnte aber schon bald der neue Kraftstoff Aufwind erhalten.
Was sind Mikroalgen?
Mikroalgen sind eine sehr diverse Gruppe von Mikroorganismen, die Photosynthese betreiben und weltweit verbreitet sind. Aufgrund von Unterschieden im Aufbau zählt man sie nicht zu den höheren Pflanzen. Man findet sie in der Luft, im Boden aber vor allem im Süß- und Salzwasser. Sie unterscheiden sich dabei in Farbe, Form, Größe oder Stoffwechselprodukte.
Mikroalgen gibt es schon seit vielen Millionen Jahren. Sie spielen eine wesentliche Rolle im CO2-Kreislauf und bilden die Nahrungsgrundlage für alle Meeresbewohner. Manche von ihnen sind weniger miteinander verwandt als Mensch und Pilz. Die Größen gehen von 1µm bis zu 400µm. Das entspricht einem Größenunterschied von Fisch zu Eifelturm.
Bisher sind nur wenige 10.000 Arten bekannt. Schätzungsweise gibt es aber noch ca. 150.000 unbeschriebene Algenstämme weltweit. Von den bisher bekannten Arten nutzt man heute ca. 20 für die industrielle Herstellung von Inhaltsstoffen für Nahrungsergänzungs- und Futtermittel, Pflegeprodukte, Öle oder Pharmazeutika.
Oft verwechselt man Mikroalgen mit Cyanobakterien. Zweitere werden auch fälschlicherweise als ‘Blaualgen’ bezeichnet und kommen häufig bei sogenannten Algenblüten zum Vorschein. Durch ihre bläulichen Farbpigmente erhalten sie ihre cyanofarbene Erscheinung. Da es sich bei ihnen um Bakterien (Prokaryoten) handelt, die Photosynthese betreiben, zählen sie nicht direkt zu den Mikroalgen (Eukaryoten). Jedoch werden auch sie schon heute für industrielle Zwecke eingesetzt (z.B. Spirulina).
50%
des weltweit produzierten O2 stammen aus Mikroalgen
50%
des weltweiten CO2 werden von Mikroalgen aufgenommen
Algen sind nachhaltig
Die Nutzung von Algen ist deshalb von Interesse, weil sie ein sehr breit gefächertes Repertoire an Stoffen produzieren können, die auf vielfältige Weisen genutzt werden. Da die Algen dabei über die Photosynthese CO2 aufnehmen und Sauerstoff produzieren, gelten sie als besonders nachhaltiger Rohstoff. Im Vergleich zu konventionellen Pflanzen benötigen sie weniger Platz, können in trockenen Gebieten wachsen oder in Salzwasser und kommen ohne Pestizide aus. Durch ihr pflanzenähnliches Aminosäurespektrum können sie u.a. als Futterzusatz genutzt werden und somit zu einer Verringerung der Sojaproduktion beitragen. Ebenso können die Algen Fette produzieren, die anstelle von bspw. Palmöl eingesetzt werden können.
Zudem können Algeninhaltsstoffe als Äquivalent zu tierischen Produkten genutzt werden und sind somit auch für Veganer*innen interessant. Beispiele sind Omega-3 Fettsäuren (häufig aus Fischöl), Squalen (häufig aus dem Lebertran von Haien) oder Astaxanthin (häufig aus antarktischem Krill). All diese Stoffe lassen sich auch auf natürliche Weise mit Mikroalgen herstellen.
Mikroalgenproduktion
Um die Potentiale der Mikroorganismen für den Menschen nutzbar zu machen, muss eine beträchtliche Menge Algenbiomasse hergestellt werden. Die Mikroalgen werden dabei in einer Nährlösung unter teilweise kontrollierten Bedingungen vermehrt. Durch die Zellteilung entsteht dabei immer mehr Biomasse. Wichtig für die spätere Nutzbarkeit ist die Sicherstellung der Reinheit der Algenkultur.
Es werden für die Biomasseproduktion verschiedene Kultivierungssysteme eingesetzt. Einige Algenarten lassen sich gut in offenen Becken, sogenannten Open Raceway Ponds (Bild links), kultivieren. Für manche Mikroalgenspezies müssen erst spezielle Wachstumsgefäße entwickelt werden. So zum Beispiel geschlossene Glasröhrensysteme (Bild rechts) oder halb-geschlossene Blasensäulen (Bild mittig). Den gesamten Prozess der Biomasseproduktion nennt man Upstream.
Im anschließenden Downstreamprozess wird die Biomasse vom Wasser getrennt und weiterverarbeitet. Diese Verfahren sind technisch sehr aufwändig und teuer. Für die Ernte kommen häufig Zentrifugen oder Filtrationstechniken zum Einsatz.
Die geerntete Biomasse wird in den nächsten Schritten aufgeschlossen, getrocknet und ggf. extrahiert. Für die Extraktion von Astaxanthin wird beispielsweise überkritisches CO2 eingesetzt, welches keine Rückstände im späteren Produkt bildet.
Kleine Klimaschützer
Vor etwa 2,4 Milliarden Jahren lebten die ersten Cyanobakterien auf der Erde. Es wird angenommen, dass genau diese Organismen zur großen Sauerstoffkatastrophe („Great Oxidation Event“) geführt haben. Dahinter steht der Anstieg des Luftsauerstoffs in der Atmosphäre auf das heutige Niveau. Zuvor waren es weniger als 1%. Dies kann anhand sogenannter Stromatolithen nachvollzogen werden, die von diesen Mikroorganismen gebildet wurden. Und auch heute noch sind Algen für die Produktion von etwa 50% des globalen Sauerstoffs verantwortlich. Aber nicht nur das. Bei der Photosynthese wird etwa 1 CO2-Molekül gespalten und 1 O2-Molekül gebildet. So sorgen Algen auch für die Fixierung von etwa 50% des atmosphärischen Kohlenstoffdioxids. Einige von ihnen können sogar den Kohlenstoff für lange Zeit aus dem Kreislauf entfernen und so dem Klimawandel entgegenwirken. Eine besondere Rolle spielen hier sogenannte Haptophyten, eine hauptsächlich im Salzwasser vorkommende Mikroalgenart. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine kalkhaltige Hülle bilden, in der besonders viel CO2 gebunden ist. Wenn diese Mikroorganismen absterben, sinken sie auf den Boden und bilden auf dem Meeresboden Sedimente, die einer CO2-Speicherung entsprechen. Innerhalb von vielen Millionen Jahren sind heutige Ölvorkommen entstanden. Wir verbrennen heute in unseren Kraftwerken und Heizungen als uralte Mikroalgenbiomasse.
Wissenschaftler*innen versuchen schon seit vielen Jahren den Prozess der Kraftstoffgewinnung mit Mikroalgen nachzustellen. Quasi den natürlichen Erdölbildungsprozess im Labor auf wenige Wochen oder Monate zu verkürzen. Der dabei entstehende Biokraftstoff ist CO2-neutral. Und es funktioniert! Autos und sogar Flugzeuge wurden bereits erfolgreich mit diesem Biokraftstoff getestet. Da die Herstellungskosten jedoch zu hoch sind, wird es noch dauern, bis es womöglich eine grüne Alternative aus Algen geben wird. Mit der zunehmenden Verknappung der weltweiten Erdölressourcen und dem gesellschaftlichen Wandel, hin zu einer nachhaltigen Bioökonomie, könnte aber schon bald der neue Kraftstoff Aufwind erhalten.