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Mit multifunktionalen Nanomaterialien das Riesenpotenzial mikroskopisch kleiner Algen ausschöpfen

Mikroalgen sind ein vielversprechender Rohstoff, der für die nachhaltige Herstellung wertvoller Chemikalien und Biokraftstoffe geeignet ist. Ein EU-finanziertes Projekt hat nun zu einer erfolgreichen Maßstabsvergrößerung beigetragen, indem die Produktionskosten, der Energiebedarf und die Komplexität reduziert wurden.

Energie

Biomasse aus Mikroalgen könnte bei der Abschwächung der Klimaerwärmung eine Schlüsselrolle spielen, denn Mikroalgen sind schnell wachsende, photosynthetische Mikroorganismen, die Licht und Kohlendioxid in energiereiche Biomoleküle mit minimalem Nährstoffbedarf umwandeln. Werden Mikroalgen im industriellen Maßstab angebaut und geerntet, so können sie eine vielfältige Palette von Produkten ergeben, die Anwendung als Lebensmittel, Futtermittel, Brennstoff, organische Pigmente, Pharmazeutika und in der Chemie finden. Dieser Ansatz bildet eine Analogie zur Raffinerie von Rohöl, bei der zwecks optimierter Wertschöpfung eine ganze Reihe von Produkten aus einem einzigen Ausgangsmaterial hergestellt wird. Ungeachtet des Potenzials der aus Algen gewonnenen Produkte sind gegenwärtig ihre großindustrielle Herstellung und Marktfähigkeit aufgrund der hohen Kosten für Ernte, Extraktion und Reinigung nur begrenzt realisierbar. Um das volle Potenzial der Algen auszuschöpfen, müssen daher dringend wesentliche Veränderungen in der Verarbeitung der Algenbiomasse herbeigeführt werden.

Mehrere Arbeitsverfahren in einem einzigen Prozess vereinen

Das EU-finanzierte Projekt CMHAlgae soll diese Hürden überwinden, indem „multifunktionale Nanomaterialien entwickelt werden, die mehrere Arbeitsgänge bei der Weiterverarbeitung zu einer einzigen Technologie kombinieren“, erklärt Projektkoordinator Praveen Ramasamy. Zu diesen Arbeitsverfahren gehören Ernte, Entwässerung und Zellaufschluss. Ernte und Entwässerung von Biomasse stellen aufgrund der geringen Größe der Mikroalgenzellen (ungefähr 5 µm), der stabilen Suspension und der relativ geringen Biomassekonzentration im Kulturmedium (ungefähr 0,5 g/l) eine echte Herausforderung dar. Zudem wird der Zellaufschluss durch das Vorhandensein einer starren Zellwand erschwert, welche die Mikroalgen umgibt. Im letzten Jahrzehnt wurden Nanomaterialien vorgestellt, mit denen diese Probleme der Weiterverarbeitung von Mikroalgen lösbar erscheinen. Wie Praveen jedoch erklärt, „kann mit den meisten von ihnen eher ein einzelner Arbeitsschritt im Vergleich zu einem Richtwert verbessert werden, was einen komplexeren und kostenintensiveren Gesamtprozess zur Folge hätte.“ Mit multifunktionalen Nanomaterialien könnte nun in diesem Zusammenhang eine echte Wirkung erzielt werden, denn sie könnten die Kosten und die Umweltbelastung der Weiterverarbeitung von Mikroalgen in Mikroalgen-Bioraffinerien verringern.

Neuartige Hybrid-Nanomaterialien auf Zellulosebasis

Das Projekt vereinte mehrere vielversprechende Durchbrüche in der Nanotechnologie aus jüngster Zeit und stellte zellulosehaltige magnetische Hybrid-Nanomaterialien her. Mit diesen Nanomaterialien können die Zellen der Mikroalgen in einem einzigen Schritt geerntet und aufgeschlossen sowie mithilfe eines externen Magnetfelds schnell vom Kulturmedium getrennt werden. Zuerst funktionalisierte das Forschungsteam Zellulosenanokristalle mit Imidazolium und Pyridinium, die ausflockende und zellaufschließende Wirkungen in sich vereinen. Im Prozess der Flockung vereinen sich feinste Feststoffpartikel, während beim Zellaufschluss die Zellwand aufgebrochen wird, um an biologische Moleküle aus dem Zellinneren zu gelangen. Die funktionalisierten Zellulosenanokristalle wurden im Folgenden mit Eisenoxid-Nanopartikeln verknüpft, die der schnellen Trennung der Biomasse vom Kulturmedium dienen. Im Endeffekt konnte die Forschungsgruppe sowohl anhand von Süßwasser- als auch Meeresmikroalgen-Modellsystemen die Wirkungen der Hybrid-Nanomaterialien bei Ernte und Zellaufschluss nachweisen.

Verbreitungsmaßnahmen

Das Projekt wurde auf mehreren Forschungstreffen und Konferenzen vorgestellt, damit seine Ergebnisse allgemeine Bekanntheit erlangen. Im Jahr 2017 wurde das Projekt auch der Kinderuniversität Leuven in Belgien präsentiert. Die beiden online veröffentlichten Forschungsartikel sind in der Fachzeitschrift Algal Research zu finden. Zudem wird derzeit ein Manuskript geprüft, das im Chemical Engineering Journal veröffentlicht werden soll.

Schlüsselbegriffe

CMHAlgae, Mikroalgen, Biomasse, Ernte, Zellaufschluss, multifunktionale Nanomaterialien, Entwässerung, Hybrid-Nanomaterialien, Zellulosenanokristalle

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