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Alt 25.06.2009, 15:40   #1   Druckbare Version zeigen
Godwael Männlich
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Biokraftstoffe: Kieselalgen melken

Biokraftstoffe aus einzelligen Algen herzustellen ist eine attraktive Idee: weil man sie an beliebigen Orten in Tanks züchten kann, wird für sie kein Regenwald abgeholzt, und mit der Nahrungsmittelproduktion konkurrieren die Organismen auch nicht. Außerdem wachsen sie schneller und nehmen mehr Kohlendioxid auf.

Kein Wunder, dass schon seit Jahren Wissenschaftler und Unternehmer an Methoden arbeiten, die Viecher kommerziell in Biodiesel umzuwandeln. Allerdings ist es um diese Technik ein bisschen stiller geworden, seit der Ölpreis wieder in den Keller gefallen ist und die Finanzkrise die Mittel ausgetrocknet hat. Viele Algen-Start-ups, wie die spanische Bio Fuel Systems aus dem Handelsblatt-Artikel, gingen unter oder wurden verkauft.

Möglicherweise ist die Zeit bald reif für einen neuen Anlauf. Die Forschung zumindest ist nicht stehen geblieben, und es gibt – neben besseren Algen – einige neue Konzepte. Zum Beispiel eines, das Ramachandra, Gordon und Kollegen kürzlich in Industrial & Engineering Chemistry Research vorgestellt haben. Die Forscher wollen Kieselalgen in ein biologisches Solarpaneel einbauen – und sie dann melken.



Kieselalgen, auch Diatomeen genannt, sind einzellige schalentragende Organismen, die in Salz- und Süßwasser gleichermaßen leben. Sie machen einen bedeutenden Teil des Phytoplanktons aus, das jährlich etwa 44 Milliarden Tonnen Kohlenstoff als Biomasse bindet. Unter anderem wegen ihrer enormen Biomasseproduktion gehören Kieselalgen zu den hauptverdächtigen für die Bildung von Öllagerstätten.



Diatomeen-Öl
Gestützt wird diese These von zwei interessanten Indizien: Einerseits fanden Forscher bereits in über 100 Ölsorten spezielle Biomarker, Kohlenwasserstoffe mit spezifischen Kettenlängenverteilungen, die auf Diatomeen schließen lassen. Und zweitens produzieren schon lebende Diatomeen große Mengen Öl. Die Öltröpfchen machen in Kieselalgen meist mehr als ein Viertel der Körpermasse aus, und dieser Anteil kann in Extremfällen bei einigen Arten auf bis zu 85% steigen.

Im Gegensatz zu vielen anderen Schalenträger bilden Diatomeen keine Kalk- sondern Silikatschalen aus (und sind von der Versauerung der Meere deswegen nicht betroffen – zumindest was die Schalen angeht). Mit dem leichten Öl gleichen viele Arten die hohe Dichte dieser Gehäuse aus. Allerdings kann das nicht der einzige Grund für die Ölproduktion sein, denn die Korrelation zwischen Ölgehalt und schwimmender Lebensweise ist nicht streng. Vielmehr deutet die große Schwankungsbreite beim Ölgehalt darauf hin, dass es nicht allein um die Auftriebskraft geht, sondern das Öl möglicherweise als Energiespeicher dient oder gar als Reservoir für eine Veränderung der Membranzusammensetzung.

Die Öle der Diatomeen sind jedenfalls reich an Lipiden und Fettsäuren. Sie lassen sich deswegen sehr einfach in Kraftstoff umwandeln. Bei der Reaktion mit überkritischem Methanol entsteht Fettsäuremethylester, der bereits heute als Biodiesel verwendet wird. Die bisherige Technik, das Öl aus der Phlanzenmasse zu extrahieren und den Rest wegzuschmeißen, ist allerdings recht verschwenderisch. Das ist ein bisschen, als wenn man Kühe schlachten würde, um an die Milch heranzukommen.</p> Viel sinnvoller wäre es, argumentieren die Autoren, wenn die Diatomeen das Öl kontinuierlich nach außen abgeben würden, statt es im eigenen Organismus zu lagern. Dann könnte man eine Kieselalgenfarm im Dauerbetrieb fahren und einfach nur das Produkt abschöpfen

Das tun Diatomeen unter normalen Umständen jedoch nicht. Deswegen sieht der Plan vor, die Kieselalgen gentechnisch zu verändern, zum Beispiel nach dem Muster von Milchdrüsenzellen, die per Exocytose kontinuierlich Fetttröpfchen absondern. Das klingt durchaus machbar, denn die Algen besitzen durchaus Mechanismen, um Stoffe gezielt aus der Zelle zu schaffen. Zum Beispiel Polysaccharide (d.h. Schleim), oder auch die Silikatverbindungen ihrer Kieselschalen. Man könnte also ein bereits vorhandenes Exportsystem auf die Fette umrüsten.

Künstliche Blätter
Unter solchen Umständen wäre es allerdings nicht ideal, frei schwimmende Algen als Produzenten zu verwenden. Zusammen mit den Mikro-Öltröpfchen würden die Organismen eine trübe Suppe bilden, die nicht nur schwer zu trennen wäre, sondern auch die Lichtausbeute verschlechtert.

Deswegen sollen die veränderten Kieselalgen in einer flachen Anordnung auf einem Substrat wachsen, so dass die Öltropfen abfließen oder aufschwimmen können. Eine solche Kultur entspricht eher einem künstlichen Blatt. Dort liegen die photosynthetisch aktiven Zellen zwischen zwei Deckschichten, die Gasaustausch und Wasserverlust kontrollieren und werden von einem Gefäßsystem mit Nährstoffen versorgt. Dieses Paneel muss nicht zwangsläufig mit Wasser gefüllt sein. Da die meisten Kieselalgen unter Trockenstress mehr Öl produzieren, reicht es, sie auf einem feuchten Substrat wie einem Hydrogel zu züchten. Das würde auch den Gasaustausch optimieren.

Schätzungen über mögliche Ölerträge einer Algenzucht schwanken je nach Quelle zwischen 200 und 1500 Barrel Öl pro Hektar und Jahr. Um den jährlichen globalen Verbrauch von ca. 31 Milliarden Barrel pro Jahr zu decken, benötigt man 20 bis 150 Millionen Hektar Fläche. Zum Vergleich: Deutschland ist etwa 36 Millionen Hektar groß – und genetisch veränderte Feldfrüchte wachsen weltweit auf 100 Millionen Hektar. Das ist, vor allem wenn man von einem sukzessiven Ausbau der Kapazitäten ausgeht, durchaus machbar.

Die ganze Idee klingt zwar sehr attraktiv, es gibt allerdings auch eine ganze Reihe offensichtlicher Probleme. Zuerst einmal muss eine geeignete Algensorte gefunden werden, und hier gibt es sehr verschiedene Möglichkeiten. Klar ist, dass die Algen Thermophil sein müssen, denn das Solarpaneel heizt sich stark auf, wenn man es in die Sonne dreht. Die Autoren schlagen außerdem vor, Diatomeen einzusetzen, die mit stickstoffixierenden Bakterien in Symbiose leben. Das reduziert den Nährstoffbedarf, schafft allerdings auch neue Anforderungen an Mikronährstoffe wie Mangan oder Nickel.

Die rein technischen Probleme von Nährstoff- und Wasserversorgung lassen sich wahrscheinlich noch am ehesten in den Griff kriegen, zumal die Biomasse der Diatomeen selbst nach der Anfangsphase nicht mehr zunehmen soll. Es reicht, das verdunstende Wasser zu ersetzen und dafür zu sorgen, dass die Viecher nicht verhungern. Der Verbrauch einer solchen Anlage wird jedenfalls deutlich geringer sein als der eines Baumwollfeldes.

Am meisten Schwierigkeiten würden wohl die klassischen Probleme der Landwirtschaft machen: Krankheiten, Parasiten oder Unkräuter.Es kann schnell mal passieren, dass die Kultur schlicht vergammelt: Das Paneel muss schließlich Gas aus der Atmosphäre durchlassen, damit die Kieselalgen immer genug Kohlendioxid haben, und mit der Außenluft kommen unvermeidlich Bakterien, Pilze und Fremdalgen hinein, für die das feuchte, nährstoffreiche Substrat ein gefundenes Fressen ist. Ganz zu schweigen von den Öl-Algen selbst. Die hohen Temperaturen in der Kultur werden die Wahrscheinlichkeit dafür höchstens verringern.

Möglicherweise liegt hier auch ein tieferer Grund dafür, dass Algen als Energiepflanzen bisher nicht wie erwünscht funktioniert hat. Der Algentreibstoff wird oft als biotechnische Herausforderung betrachtet, aber tatsächlich sind die grundsätzlichen Probleme eher die der klassischen Landwirtschaft. Vielleicht sollte man weniger auf die Produktionstechniken gucken, sondern zuerst einmal auf die Entwicklung geeigneter Hochleistungssorten.

Bildquellen:
Wikipedia
Ramachandran et al., S.
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Ramachandra, T., Mahapatra, D., B, K., & Gordon, R. (2009). Milking Diatoms for Sustainable Energy: Biochemical Engineering versus Gasoline-Secreting Diatom Solar Panels Industrial & Engineering Chemistry Research DOI: 10.1021/ie900044j

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Quelle: Fischblog - Naturwissenschaft und mehr
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