Technik Die Mikroalge als grüne Fabrik

Von Martin Schäfer 

Die Einzeller können eine große Bandbreite an Vitaminen, Medikamenten und Materialien herstellen.

Algen könnten sich in Zukunft als Bioreaktoren in vielfältiger Weise einsetzen lassen. Foto: dpa
Algen könnten sich in Zukunft als Bioreaktoren in vielfältiger Weise einsetzen lassen. Foto: dpa

Stuttgart - Grün ist die Farbe des Lebens und der Hoffnung. Und wenn es um die globalen Herausforderungen wie etwa den Klimawandel geht, dann spielt Grün gleich noch einmal eine Rolle: In Form von winzigen, meist grünen Mikroalgen suchen Forscher neue Wege, Rohstoffe, Nahrungsmittel und Energie zu gewinnen.

Die Idee ist einfach. Eine Alge benötigt eigentlich nur dreierlei: eine gute Dosis Sonnenlicht als Energielieferant, Kohlendioxid aus der Luft und ein wässriges Medium, um zu wachsen und sich auszubreiten. Wenn die Mikroalge gedeiht, liefert sie Biomasse en masse und ein großes Spektrum an Substanzen, die für den Menschen interessant sind.

Großes Potenzial

Dabei ist das ganze Potenzial noch gar nicht abzusehen. Von den geschätzten 80 000 Mikroalgen werden vielleicht gerade einmal 15 industriell kultiviert und genutzt. Die Bandbreite an interessanten Stoffen ist aber riesig: Sie reicht von Fetten, Eiweißen, Mineralstoffen und Vitaminen über medizinisch aktive Substanzen und Basisbausteine für Kunststoffe bis hin zu Biokraftstoffen.

Dabei arbeiten die Forscher und Entwickler an zwei Fronten. Einerseits wollen sie das Spektrum der möglichen Stoffe noch weiter steigern, andererseits will man in die großindustrielle Algenproduktion einsteigen. Hier sind zwei „Haustierchen” in der Mikroalgen-Szene interessant: die auch aus Reformhäusern und als Nahrungsergänzungsmittel bekannte Grünalge Chlorella vulgaris sowie Spirulina platensis, die zu den Cyanobakterien gehört, die früher Blaualgen hießen. Beide sind wegen ihrer Inhaltsstoffe wie Proteinen, Vitaminen und Spurenelementen geschätzt.

Algen als Plastikproduzenten

Oft sind Algen und Inhaltsstoffe multifunktional. So verhilft die Alge Haematococcus pluvialis mit ihrem Farbstoff Astaxanthin dem Lachs zu seiner roten Farbe, und sie hat auch das Potenzial zum Nahrungsergänzungsmittel. Unlängst war der Markt reif für blaue Gummibärchen – mit blau färbendem Spirulina-Eiweiß.

In der Forschung sind auch Kieselalgen der Art Phaeodactylum tricornutum interessant, wie sie von den Biologen Uwe Maier und Franziska Hempel von der Philipps-Universität in Marburg untersucht werden. Die Einzeller wachsen billig und schnell heran. Die Grundlagenforscherin Hempel hatte unlängst zwei Erfolge erzielt. Zum einen kultivierte und untersuchte sie eine Mikroalge, die in ihrem Zellkörper kleinste Plastikteilchen produziert. „Uns ging es hier nur um den Beweis des Prinzips: Wir können Plastik herstellen ohne den Umweg über das Erdöl“, kommentiert der Marburger Zellbiologe Uwe Maier. Die Plastiksorte PHB (Poly-3-hydroxybutyrat) ist ein bekannter Kunststoff. Seine Herstellung war bisher aber im Vergleich zu anderen Plastikvarianten zu teuer.

Monoklonale Antikörper für die Krebstherapie

Zum anderen hat die Postdoktorandin Hempel sogenannte monoklonale Antikörper in einer Mikroalge hergestellt. Das sind proteinbasierte Medikamente, etwa für die Krebstherapie oder die medizinische Labordiagnostik. Auch hier ging es den Biologen eher darum zu zeigen, welches Potenzial in den Algen steckt. Zur Produktion von Medikamenten bringen die Forscher künstliche Gene in die Erbsubstanz der Algen ein. Diese stellt dann den monoklonalen Antikörper her. „Die Alge produziert aber andere Antikörper als der Mensch”, sagt Maier. Daher müssen die Forscher die Algen-Substanzen nach der Extraktion noch weiter modifizieren.

Die Algenforscher und -entwickler haben zunächst die hochpreisigen Sparten in Pharma-, Kosmetik- und Nahrungsergänzungsindustrie im Fokus. Hier können sie die höheren Kosten in der Produktion besser durchsetzen. Bei Materialien und Kraftstoffen ist das ungleich schwerer – weshalb auf diesem Gebiet die Großproduktion von Biokraftstoffen mithilfe von Algen noch in den Kinderschuhen steckt. Der Vorteil der Algen – etwa gegenüber Pflanzen – liegt aber darin, dass es die Konkurrenz „Tank oder Teller“ wie beim Raps- oder Maisanbau nicht gibt. „Algen sind cool“, meint Uwe Maier. „Die brauchen nur einen Fermenter. Pflanzen hingegen benötigen den Acker.“

Viel Licht für die Algenkultur

Algen können auch auf Flächen produziert werden, die für die Landwirtschaft ungeeignet sind: in Teichen im Freien etwa oder in speziellen, ausgetüftelten Behältnissen. Letztere untersucht und entwickelt beispielsweise das Unternehmen Subitec in Stuttgart. Ziel ist, möglichst viel Licht an die Algenkultur im Wasser heranzubringen. Die Fotoreaktoren, in denen die Algen umgewälzt werden, haben deswegen spezielle Designs. So entwickelten Forscher an der Hochschule Anhalt in Köthen sogenannte Tannenbaum-Reaktoren. Der Name ist Konzept. Bei Subitec setzt man dagegen auf Flachbettkollektoren. In diesen blubbert Kohlendioxid-Gas als Dünger von unten nach oben. Durch einen speziellen Querschnitt des Flachbetts werden so die Algen in eine Wirbelbewegung versetzt, so dass alle Licht bekommen. Alle ein bis zwei Wochen fahren die Forscher und Entwickler die Algenernte ein.

Während die Sonne als der Energielieferant kostenlos ist, schlägt das künstliche Begasen mit Kohlendioxid als Kostenfaktor zu Buche, den die Entwickler gern vermeiden möchten. Geschäftsführer Peter Ripplinger von Subitec möchte daher die Abgase von Industrieanlagen nutzen, um die Algen zu füttern. „Die Nutzung von Rauchgasen haben wir in mehreren Anlagen gezeigt“, erklärt der Chemiker Ripplinger. Und auch am Lebensende der Algen, die dann als ausgequetschte Biomasse vorliegen, könnte sich ein Verbund mit anderen Anlagen lohnen, etwa um Algenreste in einer Biogasanlage zu Methan zu vergären.