Im Mittelpunkt der Forschung steht die einzellige Süßwasseralge Tetradesmus lagerheimii. Im Technikum des Fachbereichs Chemie- und Biotechnologie der h_da wird sie in grün leuchtenden Photobioreaktoren kultiviert. Dort untersuchen Prof. Dr. Rüdiger Graf, Doktorandin Samira Reuscher und Dr. Gerd Klock, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachbereich, gemeinsam mit Partnern aus der Papierindustrie und der TU Darmstadt, wie sich Mikroalgen künftig in Klärwerken oder Industrieanlagen einsetzen lassen.

„Wir sind eins besser als das Ü-Ei“, stellt Prof. Dr. Rüdiger Graf fest und erklärt den ungewöhnlichen Vergleich: „Das Ü-Ei hat drei Pluspunkte – Spannung, Spielzeug und Schokolade. Wir nutzen Sonnenenergie, um Biomasse aufzubauen, binden dabei CO₂ und reinigen Abwasser. Und dann kommt noch der vierte Punkt dazu: Wir produzieren wertvolle Algenöle.“

Hormonell wirksame Stoffe aus dem Abwasser filtern

Der Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Reinigung industrieller Abwässer. Zwar erfüllen sie alle gesetzlichen Vorgaben. Trotzdem können geringe Mengen hormonell wirksamer Stoffe zurückbleiben. Und hier kommen die Mikroalgen ins Spiel: Sie können diese Stoffe aufnehmen, anreichern und im besten Fall sogar vollständig abbauen.

„Die genauen molekularen Mechanismen sind zwar bisher nur teilweise erforscht“, erläutert Doktorandin Samira Reuscher. „Wir wissen aber, dass es funktioniert: Mikroalgen filtern hormonell wirksame Substanzen aus dem Abwasser.“

Natürliche Arbeitsteilung im Algen-Reaktor

Ganz ohne Nebenwirkungen geht das allerdings nicht. Durch ihren Stoffwechsel geben die Algen organische Stoffe ab, die die Wasserqualität mindern. Um das Problem zu lösen, setzen die Forschenden auf eine natürliche Arbeitsteilung im Algen-Reaktor: Verschiedene Bakterienstämme werden den Algenkulturen zugesetzt und bauen die unerwünschten Stoffwechselprodukte wieder ab.

„In der Natur sind die Algen auch mit anderen Organismen vergesellschaftet“, erklärt Dr. Gerd Klock. „Die verschiedenen Organismen müssen sich aufeinander einstellen.“

Algenöl statt Ackerflächen

Die Mikroalgen nutzen Sonnenlicht und Kohlendioxid zum Wachsen, sie binden CO₂ und vermehren sich dabei fleißig, bilden also Biomasse. Und die ist nicht nur die Grundlage für die Reinigung des Abwassers, sondern auch für den zweiten Nutzen des Forschungsprojekts: die Herstellung von Algenölen.

Unter idealen Bedingungen investieren die Algen ihre Energie vor allem in Wachstum. Erst wenn sie gezielt unter Stress gesetzt werden – etwa durch Nährstoffmangel oder weniger Licht –, verändern sie ihren Stoffwechsel und speichern Energiereserven in Form von Lipiden. Diese begehrten Algenöle können unter anderem zur Herstellung von Bio-Kraftstoffen verwendet werden. Im Gegensatz zu Mais oder Raps beanspruchen die Alleskönner-Algen dafür keine Ackerflächen.

„Man muss der Alge Stress machen, damit sie versteht: Jetzt muss ich Lipide herstellen, statt immer weiter Zellteilung zu betreiben“, beschreibt Prof. Dr. Rüdiger Graf die Herangehensweise.

Ziel der Forschenden ist es, dabei die richtige Balance zu finden: möglichst viel Biomasse zu erzeugen bei gleichzeitig hoher Ölproduktion.

Auf dem Weg in die großtechnische Anwendung

Noch ist das Verfahren nicht wirtschaftlich genug für den großtechnischen Einsatz.

„Deshalb arbeiten wir intensiv daran, unter anderem den Energiebedarf während des Kultivierungsprozesses zu senken“, sagt Graf.

Für das Forschungsteam steht das Potenzial der Technologie dennoch außer Frage: Künftig könnten modulare Algenanlagen direkt an Industrieunternehmen oder Klärwerke angeschlossen werden. Dort würden sie Abwasser reinigen, Kohlendioxid verwerten und gleichzeitig nachwachsende Rohstoffe erzeugen – eine Innovation mit vielen Vorteilen für Umwelt und Industrie. Das Kooperationsprojekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

Quelle: Hochschule Darmstadt