Thomas Brück forscht im Algentechnikum der TU München zum Potenzial der grünen Wasserlebewesen.
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Thomas Brück forscht im Algentechnikum der TU München zum Potenzial der grünen Wasserlebewesen.

Wissenschaft

Bioökonomie: Die Superkräfte der Algen

Fachleute sind überzeugt: Die glibberigen Wasserpflanzen könnten fossile Rohstoffe in vielen Bereichen ersetzen, etwa in Form von Biokerosin oder als essbare Verpackung. Im Labor gibt es vielversprechende Projekte – die Industrie dagegen lässt sich noch bitten.

Von Nina Kammleiter

Wer sich für Algen interessiert, kommt um das Algentechnikum nicht herum. Seit es 2015 in Ottobrunn bei München eröffnet wurde, bietet das hochtechnologisierte Glasgebäude weltweit einzigartige Möglichkeiten für die Erforschung der grünen Wasserlebewesen. Es kann die Klimabedingungen sämtlicher Regionen der Erde realistisch nachbilden. Und die größte LED-Anlage der Welt imitiert das Spektrum und die Intensität des Sonnenlichts etwa von Südspanien, Südostasien oder Australien. So ist es möglich, Prozesse unter verschiedenen Klimabedingungen zu testen.

All das ist nötig, um herauszufinden, was eine der ältesten Lebensformen der Erde so alles kann. Expert:innen gehen davon aus, dass mehr als 400 000 Algenarten existieren. Ein Großteil von ihnen ist noch unerforscht, nur rund 44 000 Algenarten wurden bisher wissenschaftlich beschrieben. Trotzdem schreiben ihnen viele große Bedeutung als nachhaltiger Rohstoff der Zukunft zu. Weltweit untersuchen Fachleute, wie sich Algen als Lebens- und Futtermittel, in Medikamenten oder als Treibstoff verwenden lassen.

Luftfahrt: Biokerosin aus Algen könnte den Flugverkehr nachhaltiger machen

Ein Schwerpunkt der Forschung im Algentechnikum liegt auf der Herstellung von Biokerosin - als nachhaltige Alternative für die Luftfahrt. Dafür eignen sich Mikroalgen im Vergleich zu Landpflanzen wie Raps oder Sonnenblumen besser. Sie sind mikroskopisch klein, oft einzellig. Aber ebenso wie die größeren, teilweise meterlangen Makroalgen betreiben sie Fotosynthese und wandeln dabei Kohlenstoffdioxid und Licht in Sauerstoff und Biomasse aus energiereichem Zucker um. Dabei wachsen sie bis zu zehnmal schneller als viele Landpflanzen - und brauchen weniger Fläche. Und: Ihr Fettgehalt pro Hektar Anbaufläche ist bis zu 30 Mal höher. Der hohe Fettgehalt ist für das Forschungsprojekt im Algentechnikum wichtig, weil durch die Abspaltung der Fettsäuren in einem chemischen Verfahren Biokerosin gewonnen wird.

Das Algentechnikum am Ludwig Bölkow-Campus in Ottobrunn.

Ein weiterer Vorteil: Um zu wachsen, brauchen Algen lediglich CO2, Licht, Wasser und geringe Mengen an Nährstoffen. Deshalb können sie im Salzwasser und in Gebieten kultiviert werden, die aufgrund klimatischer Bedingungen nicht für die Landwirtschaft geeignet sind. So konkurriert der Anbau von Algen nicht mit dem Flächenbedarf für Landpflanzen. Vor allem in Hinblick auf zukünftige Herausforderungen durch Lebensmittel- und Wasserknappheit ist das relevant.

Bioökonomie: Carbonfasern aus Algen können im Flugzeugbau zum Einsatz kommen

Gemeinsam mit Industriepartnern wie Airbus arbeiten der Leiter des Algentechnikums, Thomas Brück, und sein Team daran, Kerosin aus Algen kosteneffizienter zu produzieren und auf einen industriellen Maßstab auszuweiten. „Unser Algenkerosin kostet derzeit etwa 1,20 bis 1,40 Euro pro Liter“, sagt Brück. „Das ist immer noch doppelt so teuer wie aus der Erdölquelle.“

Dieses Problem haben nicht nur Brück und sein Team. Obwohl längst klar ist, welches Potenzial in Algen steckt, werden sie kaum in großem Maßstab genutzt. Nach wie vor sind fossile Rohstoffe deutlich günstiger. Für die Industrie besteht wenig Anlass, sich umzustellen.

Um die Kosten zu senken, wollen die Forscher:innen im Algentechnikum sämtliche Bestandteile der Algen nutzen. Neben Fettsäuren bestehen Algen unter anderem aus Glycerin, einem Alkohol. Dieser wird bei der Herstellung des Kerosins abgespalten und kann in einem chemischen Prozess in eine polymere Faser umgewandelt werden. Die Faser dient beispielsweise als Grundstoff für Carbonfasern oder Kleidung. „Carbonfasern aus Algen sind CO2-negativ, es wird also mehr CO2 durch die Alge gebunden als anschließend im Herstellungsprozess verbraucht wird“, sagt Brück. Würden diese Fasern beispielsweise für den Bau von Flugzeugen eingesetzt und diese anschließend mit Biokerosin aus Algen betrieben, entstünden Synergie- und Nachhaltigkeitseffekte: Die Alge würde vollständig genutzt - und die Luftfahrt nachhaltiger.

Schwerpunkt Bioökonomie

Eine biobasierte Wirtschaft setzt auf erneuerbare, nachwachsende Ressourcen. In einem zehnteiligen Schwerpunkt stellen wir in den kommenden Wochen spannende Forschungsansätze und praktische Beispiele vor.

Um Implantate aus Spinnenseide geht es da, um nachhaltigere Batterien und die Frage, warum kein Palmöl auch keine Lösung ist.

WEITERLESEN: Eine Multimedia-Reportage der Studierenden unter www.bioökonomie.info; mehr Infos: www.wissenschaftsjahr.de FR

Lebensmittelindustrie: Algen als Alternative zur klassischen Landwirtschaft

Um die Algenbiomasse zu gewinnen, wird im Algentechnikum derzeit noch zusätzliche Energie aufgewendet, etwa für den Betrieb der LED-Anlage. Langfristig sollen die Algen jedoch an klimatisch idealen Standorten kultiviert werden, sodass möglichst wenig zusätzliche Energie benötigt wird. Diese Orte werden aktuell definiert. Um Algen in großem Maßstab anzubauen und den Prozess vom Labor in die Industrie zu übertragen, muss an diesen Standorten außerdem in neue Infrastruktur investiert werden. „Für die Industrie sind solche Investitionen mit Risiken verbunden“, erklärt Brück. „Hier müssen politische Anreize geschaffen werden, um die Umstellung für die Großindustrie attraktiv zu machen.“ Mit entsprechenden gesetzlichen Vorgaben und Zuschüssen sieht der Professor für Synthetische Biotechnologie viel Potenzial für Algenkerosin.

Brück schätzt, dass spätestens 2050 etwa 30 bis 50 Prozent des Kerosinbedarfs mit Algen gedeckt werden könnte. Jedoch zieht er auch Alternativen wie Bioethanol aus Agrarabfällen in Betracht, um Biotreibstoff zu gewinnen. Das könne vor allem in Gebieten, die für den Algenanbau nicht geeignet seien, sinnvoll sein. „Alle Technologien in einer guten Mischung können langfristig unser Energie- und Transportproblem lösen.“ Schon in naher Zukunft dagegen könnten Algen zudem wichtig für die Lebensmittelindustrie werden, glaubt Brück: „Aufgrund des Klimawandels und der Wasserverknappung bieten Algen eine vielversprechende Alternative zu klassischer Landwirtschaft.“ Die glibberigen Gewächse liefern Proteine, Mineralien und ungesättigte Fettsäuren und sind daher ein wichtiges Nahrungsmittel für Wasserlebewesen. Doch auch für den Menschen sind sie in den richtigen Mengen gesund.

Forschungsprojekt MakPak: Essbare ToGo-Verpackungen aus Makroalgen

Für das Projekt MakPak der Hochschule Bremerhaven ist die Alge aber noch aus einem anderem Grund interessant. Ramona Bosse, wissenschaftliche Mitarbeiterin im Bereich Lebensmitteltechnologie, arbeitet daran, essbare To-Go-Verpackungen aus Makroalgen herzustellen. Unterstützt wird sie dabei vom Alfred-Wegener-Institut und Industriepartnern. „Die Makroalge hat sich als funktionale Alternative für herkömmliche Verpackungen aus Plastik oder Papier herausgestellt“, erklärt Bosse. „Gleichzeitig ist sie aber auch essbar und liefert dem Körper wichtige Nährstoffe. So können wir Müll vermeiden und dem Körper gleichzeitig etwas Gutes tun.“

Die Forschung geht heute davon aus, dass es auf der Erde mehr als 400 000 Algenarten gibt.

Angebaut werden die Makroalgen im Salzwasser. Um jedoch den hohen Qualitätsanforderungen für Lebensmittel zu entsprechen und Belastungen durch Schadstoffe wie Schwermetalle zu vermeiden, sollen sie nicht im offenen Meer, sondern in Gewächshäusern gezüchtet werden. Sobald die Algen groß genug sind, werden sie zerkleinert, in Form gebracht und getrocknet. Damit die Verpackung nicht reißt oder durchweicht, muss eine Wasser- und Fettbarriere geschaffen werden. Dazu werden größtenteils algeneigene Stoffe genutzt. „Die Verpackungen bestehen zu mindestens 99 Prozent aus Algen und alle Inhaltsstoffe entsprechen den Qualitätsanforderungen an ein Lebensmittel“, erklärt Bosse.

Mit der Restaurantkette Nordsee wurde eine essbare Verpackung aus Algen getestet

Gemeinsam mit der Restaurantkette Nordsee wurde das Projekt bereits getestet: Die essbare Verpackung mit leicht salzigem Geschmack wurde von mehr als 80 Prozent der Proband:innen mit sehr gut bis gut bewertet. In einem zweiten Schritt wird das Projekt nun vom Labor in die Industrie überführt und soll bis 2023 die Marktreife erlangen. Nordsee habe großes Interesse an den Algenverpackungen und wolle sie möglichst schnell einsetzen, heißt es auf Nachfrage von der Restaurantkette. Wie teuer die verzehrbaren Verpackungen sein werden und inwiefern sich das auf die Preise auswirken werde, könne man noch nicht sagen. Laut Bosse wird die Algenverpackung jedoch voraussichtlich etwas teurer sein als Alternativen aus erdölbasierten Kunststoffen.

Dass die Industrie zunehmend bereit ist, in nachhaltige Verpackungen zu investieren, merkt Ramona Bosse daran, dass sich immer mehr Unternehmen für ihr Projekt interessieren, auch international. „Durch die neuen Gesetze zur Reduzierung von Einwegartikeln ist der Druck auf die Industrie gestiegen.“ Außerdem legten auch Konsument:innen immer mehr Wert auf Nachhaltigkeit. Nun sei es wichtig, das Wissen in die Firmen zu transferieren und dort anzuwenden.

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Bis Algen in großem Maßstab industriell eingesetzt werden und fossile Rohstoffe aus den Produktionsketten vertreiben, müssen noch einige Hürden überwunden werden. Doch die vielen Projekte, in denen derzeit Wissenschaft und Industrie Ansätze testen, zeigen, dass in den Wasserlebewesen vielfältige Möglichkeiten stecken - ob in der Luftfahrt, als Verpackung oder als Nahrungsmittel. Thomas Brück vom Algentechnikum formuliert es so: „Unsere Vision für die Zukunft ist es, verschiedene Ansätze zu verbinden. So können wir die Vorteile der Algen ganzheitlich nutzen.“

Für den Schwerpunkt Bioökonomie kooperiert die FR mit der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt (FHWS). Die Artikel haben Studierende verfasst. Das Projekt von FHWS und der Universität Würzburg wird im Rahmen des Wissenschaftsjahres 2020/21 – Bioökonomie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.