Algen zeigen Potenzial für die nachhaltige Produktion von biokatalytischem Brennstoff
Biobrennstoff könnte zwar ein aussichtsreicher Brennstoff der Zukunft sein, allerdings verwenden die aktuellen technischen Verfahren vor allem Nutzpflanzen. Dies resultiert in intensiven landwirtschaftlichen Verfahren, welche die Biodiversität verringern. Mit der Menge an Pflanzen, die für die Produktion von 120 Litern Bioethanol erforderlich ist, könnte andernfalls ein Mensch ein Jahr lang ernährt werden. Das EU-unterstützte Projekt Photofuel entwickelte eine Alternative: Biokatalysatoren auf der Basis gentechnisch veränderter Algen. Das Team züchtete die Algen in Salzwasser in geschlossenen Photobioreaktoren, in denen CO2, Sonnenlicht und Wasser in Brennstoffmoleküle umgewandelt wurden. Diese Moleküle wurden von den Algenzellen ausgeschieden und dann von der Wasseroberfläche abgeschöpft, um für den Antrieb von Fahrzeugen genutzt zu werden. „Unsere Produktionsmethode ist überaus nachhaltig. Sie kann bei verödetem Land angewandt werden und konkurriert nicht mit der Ernährungslandwirtschaft um Fläche oder Bewässerung, da sie Salzwasser nutzt“, erklärt Projektkoordinatorin Hilke Heinke von Projektveranstalter Volkswagen. Ein weiterer signifikanter Meilenstein war die Bioderivatisierung, bei welcher die relativ giftige Stoffverbindung Octanol durch Hinzugabe eines einzelnes Gens in – weniger giftiges und einfacher im Photobioreaktor abzuscheidendes – Octylacetat umgewandelt wurde.
Was für Algen spricht
Algen haben bereits eine überaus hohe photosynthetische Effizienz, um die Brennstoffproduktion zu steigern, entfernten die Photofuel-Partner – die Universität Uppsala, Finnland, die Universität Bielefeld, Deutschland, und das Imperial College London – jedoch biologische Wege, die nicht für die Brennstofferzeugung erforderlich sind. Das Brennstoffmolekül an sich besteht aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff auf der Basis von CO2 und Wasser. Bei diesem Prozess entfällt die Zellernte. Bei dem konventionelleren Prozess vermehren sich zunächst Zellen, denen dann Stickstoff entzogen wird, um die Vermehrung zu stoppen, damit die gespeicherte Stoffwechselenergie, Fett oder Stärke gewonnen, getrocknet und extrahiert werden können, um an die Lipide für die Biodieselproduktion zu gelangen. Bei dem biokatalytischen Ansatz produzieren Zellen den Brennstoff und scheiden diesen zur Entnahme direkt in das Medium aus. „Diese Anordnung verringert die erforderliche Düngemittelmenge erheblich und führt nur zu begrenzten unerwünschten Nebenprodukten wie toten Biokatalysatorzellen“, bemerkt Simon Kühner, der Leiter des Projekts. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Brennstoff mit anderen Brennstoffen in regionalen Brennstoffverteilungszentren gemischt werden kann, ohne dass eine Veredelung in Raffinerien erforderlich wäre. So können Transportkosten gespart werden. „Dies bedeutet, dass die biokatalytische Produktion zum Erhalt hochwertiger Arbeitsstellen in der lokalen Region beiträgt, um eine Landflucht zu vermeiden, die häufig bei der Verödung von Anbauflächen auftritt“, merkt Kühner an. Der biokatalytische Prozess von Photofuel konnte die Butanolproduktion im Laufe weniger Wochen auf täglich über 600 mg/l in einem Photobioreaktor mit 2,7 Liter Fassungsvermögen steigern. Obwohl noch große Herausforderungen für die Maßstabsvergrößerung der Produktivität bestehen, könnten diese Erfolge zu einer Brennstoffproduktion führen, die im Jahr 90 Tonnen pro Hektar entspricht.
Mehr als Brennstoff
Aufgrund dieser Skalierungsherausforderungen entwickelt das Photofuel-Team seine Technologie inkrementell weiter, sodass zunächst nicht der Brennstoffsektor anvisiert wird. Es werden vielmehr kleinere Volumen für hochwertige Produkte wie Arzneimittel, Duftstoffe und Kosmetika vermarktet. Später sollen Akteure in der Chemieindustrie miteinbezogen werden. „Dass Photofuel die gesamte Wertschöpfungskette berücksichtigte, indem Vertreter aus der Biotechnik, Brennstoffwissenschaft und den Raffinerie- und Automobilindustrien einbezogen wurden, hat zu vielen verschiedenen Wegen geführt, die Partner erforschen können“, sagt Kühner. Das Imperial College London hat bereits ein Spin-off gegründet, um die Produktion der hochwertigen Stoffverbindungen von Photofuel zu erforschen. Die Universität Uppsala ist auf die Weiterentwicklung der Butanolproduktion zur CO2-Abscheidung fokussiert. A4F hat Verträge für die Züchtung gentechnisch veränderter Algen an Land gezogen. Die Universität Bielefeld erforscht jetzt biotechnologische Möglichkeiten für die Produktion pharmakologisch wirksamer Terpene, welche die Kosten für Arzneimittel, einschließlich von Krebsmedikamenten, erheblich senkten könnten.
Schlüsselbegriffe
Photofuel, Alge, Brennstoff, Umwelt, Energie, Strom, Biokatalysator, Moleküle, Anbaupflanzen, Photobioreaktor, Butanol