Lipidreiche Algenbiomasse als regenerativer Energieträger

Voraussetzung für eine wirtschaftliche Nutzung und effiziente Aufarbeitung der Algenbiomasse 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 (siehe Bild). In Laborversuchen im Fraunhofer IGB konnten wir unter dauerhafter künstlicher Beleuchtung Lipidgehalte von bis zu 70 Prozent [w/w] erreichen.

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 Prozessbedingungen.

Zur Charakterisierung des Lipidproduktionsprozesses mit der Mikroalge Chlorella vulgaris haben wir 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 durch 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.

Es ist uns gelungen, unter Freilandbedingungen einen stabilen Prozess zu etablieren, der die Produktion von Algenbiomasse mit einem sehr hohen Lipidgehalt erlaubt. So konnten wir mit Chlorella vulgaris eine maximale Lipidproduktivität im Freiland von 0,3 g Fettsäuren / (L*d) erzielen. 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 beispielweise 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 [1]. Den Einfluss der relativen Lichtverfügbarkeit auf den Lipidgehalt der Biomasse haben wir durch den parallelen Betrieb von Flachplatten-Airlift-Reaktoren mit jeweils unterschiedlichen Biomassekonzentrationen im Freiland ermittelt. Wir konnten zeigen, dass hohe Lipidgehalte von über 45 Prozent [w / w] bei niedrigen Biotrockenmassekonzentrationen und damit hohen relativen Lichtverfügbarkeiten erzielt werden.

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.

[1] Rodolfi, L. et al. (2009) Biotechnology and Bioengineering 102(1): 100-12

Förderung

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung des Projekts »EtaMax – Mehr Biogas aus lignocellulosearmen Abfall- und Mikroalgenreststoffen durch kombinierte Bio-/Hydrothermalvergasung«, Förderkennzeichen 03SF0350A.

Projektpartner

• Daimler AG
  
• EnBW Baden-Württemberg AG; FairEnergie GmbH
• Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV
• Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
  
• Netzsch Mohnopumpen GmbH
  
• Paul Scherrer Institut PSI
  
• Stadt Stuttgart
  
• Stulz Wasser- und Prozesstechnik GmbH