AB EB_6
Thema: Mikroorganismen, Enzyme und Biokraftstoffe

Die folgenden Texte bzw. Materialien sind Gegenstand des Arbeitsvorhabens (AV)
Pflanzen, Mikroorganismen oder Reststoffe als Grundlagen für Biokraftstoffe –
erneuerbare Energiequellen für Umwelt- und Klimaschutz?

2.3 Die dritte und vierte Generation der Biokraftstoffe

Ausgangspunkte der 3. und 4. Generation* der Biokraftstoff-Herstellung sind Mikro- oder Makroalgen, Bakterien, sogenannte Urbakterien und einige niedere Pilze. Im Rahmen der Produktionsverfahren wird in der Regel angestrebt, möglichst viele weitere Stoffe für die Weiterverarbeitung, z.B. in der chemischen oder pharmazeutischen Industrie, zu gewinnen.

Der umgangssprachliche Begriff „Alge“ (lat.: alga „Alge“, „Seegras“, „Tang“ engl.: algae, seaweed, kelb-forest) umfasst sehr verschiedene Organismengruppen. Die meisten Algen gehören zu den Pflanzen, sind ein- oder mehrzellig und einige bilden sogar einen Körper wie die höheren Pflanzen aus. Sie betreiben Fotosynthese (= autotroph) und leben vorwiegend in aquatischen Ökosystemen – von der Pfütze bis zum Weltmeer.
Blaualgen (= Cyanobakterien) sind keine Algen, sondern Bakterien, die allerdings die Fähigkeit zur Fotosynthese besitzen.Einzelne Algengruppen werden aufgrund ihrer Plastidenfarbe (grün, rot, braun) und/oder in Hinblick auf ihre Größe (Mikro-, Makroalgen) unterschieden. Die Mikroalgen bewegen sich mehr oder weniger passiv im Wasser (= Phytoplankton). Die bis zu 60 Meter großen Makroalgen sind häufig fest im Gewässer verankert und kommen nur in den Meeren vor. Viele von ihnen besitzen wurzelartige und blattartige Strukturen sowie einen Stängel. Sie ähneln häufig krautigen Landpflanzen.Ökologisch gesehen, sind die Algen nicht nur Grundlage aquatischer Nahrungsnetze, sondern, bei entsprechender Größe, auch ein bedeutsamer Lebensraum für andere Lebewesen. Die Kohlenstoffdioxidbindung und die Sauerstoffproduktion der Algen übertrifft die der Landpflanzen deutlich. Die aquatischen Ökosysteme binden auch mehr Kohlenstoffdioxid als die Landökosysteme.
Die Biomasse der Algen enthält Kohlenhydrate, Proteine und auch größere Mengen Lipide (= Öle bzw. Fette). Der Ölgehalt von Mikroalgen liegt im Durchschnitt ungefähr zwischen 20 und 50 Prozent, einzelne Arten erreichen bis zu 80 Prozent. Makroalgen erreichen nicht so hohe Werte. Im Unterschied zu den höheren Pflanzen enthalten die Zellwände der Algen Cellulose und Hemicellulose, aber kein Lignin.
Vor allem Mikroalgen wachsen und vermehren sich schnell – bei manchen kommt es zu einer Verdopplung der Biomasse innerhalb von 24 Stunden.

Der Konsum von Algen, insbesondere Makroalgen, ist schon aus dem Altertum bekannt. Vor allem Regionen des asiatischen Raumes nutzen Algen – vornehmlich Makroalgen –  in unterschiedlichster Zubereitung als eine bedeutsame Nahrungsgrundlage. Dabei ist aber zu unterscheiden zwischen Zuchtalgen und Wild-Ernte. Letzteres spielt heutzutage kaum noch eine Rolle (Abb. AV EB_6-22 Makroalgenproduktion).

*In der Literatur werden beide Generationen auch unter der Bezeichnung 3. Generation zusammengefasst, wenn die Unterschiede der Biokraftstoff-Herstellung zwischen Wasser- und Landpflanzen im Vordergrund stehen.

Biokraftstoffe AlgenbiomasseQuelle: ec.europe.eu

Abb. AV EB_6-22 Makroalgen-Produktion / global

Biokraftstoffe AlgenQuelle: wikimedia

Abb. AV EB_6-21
Macrocystis (Braunalge)

 

Biokraftstoffe AlgenbiomasseQuelle: MikrobeWiki

Abb. AV EB_6-18
Synechococcus (Cyanobakterium)

Biokraftstoffe AlgenQuelle: wikimedia

Abb. AV EB_6-19
Chlorella (Grünalge)

Biokraftstoffe AlgenQuelle: wikimedia

Abb. AV EB_6-20
Scenedesmus (Grünalge)

Klick: Links für weitere interessante allgemeine Informationen über Algen.

(für alle gilt letzter Zugriff: 2021-12-13)
https://de.wikipedia.org/wiki/Alge
https://www.seaweed.ie/algae/
https://www.planet-wissen.de/natur/pflanzen/algen/index.html
https://www.geo.de/natur/oekologie/4203-rtkl-algen-was-sie-ueber-algen-wissen-sollten
https://studyflix.de/biologie/algen-3264
https://de.wikipedia.org/wiki/Cyanobakterien
https://en.wikipedia.org/wiki/Cyanobacteria
https://www.bzfe.de/lebensmittel/trendlebensmittel/algen/
https://www.quarks.de/umwelt/klimawandel/darum-sollten-wir-algen-lieben/
http://www1.biologie.uni-hamburg.de/b-online/e44/algen.htm
https://www.spektrum.de/lexikon/biologie/algen/2029
https://www.dbg-phykologie.de/ueber-uns/was-sind-algen
http://www1.biologie.uni-hamburg.de/b-online/Algen_Zellwand

Seit den 80er Jahren erfolgte eine rasante Zunahme der Algenzucht, zunächst für die Bereiche Nahrungs-, Futtermittel, Nahrungsergänzungsmittel und Kosmetik. Parallel dazu erfolgte eine außerordentliche Zunahme an Wissen in molekularbiologischen bzw. biochemischen Bereichen.

Beides weckte in der Forschung und bei Unternehmen das Interesse, Mikro-, Makro- und Blaualgen als Ausgangspunkte Biokraftstoff-Herstellung zu nutzen.
Folgende Vorteile wurden (werden) gesehen:

  • die mehrmonatige bis ganzjährige Verfügbarkeit;
  • die Vermeidung von Landnutzungsänderungen;
  • das ausreichende Vorhandensein von Meer-/Wasserflächen;
  • der Wegfall der Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion;
  • die Verringerung der Eingriffe in den Naturhaushalt und damit auch Vermeidung negativer Folgen für die Biodiversität;
  • die fünf- bis zehnmal höhere Produktivität im Vergleich zu Landpflanzen;
  • das wegfallende Lignocelluloseproblem;
  • die Nutzung bestimmter Abwässer und CO2-haltiger Abgase;
  • die Möglichkeit, im Rahmen der Verfahrensentwicklung eine positive Energiebilanz auf- und auszubauen;
  • die Möglichkeit, in der Bilanz Treibhausgase zu reduzieren;
  • die Möglichkeit, viele andere Nebenprodukte auf deren Basis zu gewinnen.

Biokraftstoffe AlgenbiomasseQuelle: wikimedia

Abb. AV EB_6-23
Euchema /Algenernte

Im Kontext der Entwicklung entsprechender Verfahren wurde an vielen Stellen deutlich, dass es schwieriger ist, mit lebenden Organismen zu arbeiten, als mit Erntemasse oder Reststoffen. Jeder Organismus hat eben seine spezifischen Ansprüche an die Umwelt. Es wurde (wird) versucht,  die daraus resultierenden Probleme – soweit möglich – mithilfe technischer und bio- bzw. gentechnologischer Maßnahmen zu lösen. Diese sogenannte Optimierung der eingesetzten Organismen betraf (betrifft) meistens die Veränderung

  • verschiedener Stoffwechselprozesse mit dem Ziel der Verbesserung der Herstellung oder des Um- und Abbaus von Stoffen;
  • der Toleranzbereiche verwendeter Organismen in Hinblick auf die Temperatur, den pH-Wert, etc. (Toleranzbereich siehe hier).

Die Ergebnisse waren nicht immer erfolgreich. In vielen Fällen kamen manche Entwicklungen nicht über das Labor- oder Pilotstadium hinaus. Einige im größeren Maßstab arbeitende Unternehmen konnten sich aufgrund zu hoher Produktionskosten nicht am Markt durchsetzen. Viele mussten ihren Betrieb in den ersten zehn Jahren dieses Jahrtausends wieder einstellen. Seit einigen Jahren geht man jedoch neue Wege in der Forschung, um Algen und Bakterien zukünftig doch zur Biokraftstoff-Herstellung nutzen zu können.

Folgende Ziele werden dabei verstärkt angestrebt:

  • Steigerung der Verwertung der auftreffenden Sonnenenergie im Rahmen der Fotosynthese;
  • eine erhöhte Aufnahme von CO2 ;
  • eine Verbesserung der Stoffwechselprozesse, die für die Herstellung der gewünschten Produkte notwendig sind, d.h. in erster Linie die Veränderung der Leistungsfähigkeit bestimmter Enzyme;
  • eine Förderung der Wachstums- und Vermehrungsrate;
  • die Anpassung der einzusetzenden Organismen an verschiedenste Umweltfaktoren, d.h. die Veränderung von Toleranzbereichen, womit ebenfalls eine Modifikation der Aktivitäten von Enzymen verbunden ist.

In beiden Generation müssen die eingesetzten Organismen zunächst optimiert werden. Das bedeutet, dass sie sowohl nach herkömmlichen Methoden –  der natürlichen Auswahl (= Selektion) – , als auch unter Einsatz gen- und biotechnologischer Methoden an die gewünschten Fähigkeiten angepasst werden. Sehr aufwendige Prozesse, die im Labor stattfinden. Nicht immer wird das gewünschte Ergebnis gleich erreicht, oft muss später „nachreguliert“ werden.

Auch der nächste Arbeitsschritt auf dem Weg z.B. zum Biokraftstoff ist grundsätzlich für beide Generationen gleich: Die eingesetzten Organismen müssen kultiviert werden. Damit verbunden ist die Schaffung – auch entsprechend der in den Organismen herbeigeführten Veränderungen – optimaler Umweltbedingungen. Nur so können Wachstum, Vermehrung und ungestörte Abläufe der gewünschten Stoffwechselleistungen stattfinden.
Auch die hiermit verbundenen Arbeitsschritte erfolgen zunächst in aufwendigen Versuchsreihen im Labor. Erst wenn diese erfolgreich sind, kann begonnen werden, die erprobten und kontrollierbaren Vorgänge in größere Maßstäbe, bis hin zum industriellen Maßstab, zu überführen.

Die Kultivierung von Mikroalgen erfolgt entweder in offenen oder geschlossenen Systemen.
Dazu ist anzumerken, dass in der 3. Generation beide Systeme und in der 4. Generation fast ausschließlich geschlossene Systeme zum Einsatz kommen.Bei landgebundenen offenen Systemen – sogenannter Teichwirtschaft –  muss primär ausreichend Wasser vorhanden sein. Dabei kann es sich sowohl um Wasser von relativ hoher Qualität handeln, in einigen Fällen aber auch um geeignete Abwässer. Die dort vorhandenen Kulturen müssen in Bewegung gehalten werden, damit auch alle annähernd optimal mit dem verfügbaren Sonnenlicht versorgt werden. Zugeführte Nährsalze sowie eingebrachtes Kohlenstoffdioxid müssen sich möglichst gleichmäßig verteilen. Abgestorbene Algen müssen entsorgt werden, um Fäulnisprozesse zu vermeiden. Ein Problem der offenen Kulturen ist auch die mögliche Kontamination mit Bakterien.Erprobt wird die Anzucht der Algen in bestimmten Abwässern, um im Sinne des Recyclings im Abwasser enthaltene Nährsalze und andere Stoffe wieder in den Stoffkreislauf zurückzuführen. Die verwendeten Abwässer müssen verschiedenste Ansprüche erfüllen. Sie müssen nicht nur frei von Schwermetallen und anderen Schadstoffen sein, sondern auch bestimmte Ansprüche der verwendeten Algen erfüllen, z.B. einen bestimmten pH-Wert aufweisen.Neben landgebundener Teichwirtschaft existieren auch offene System in marinen Bereichen. Dabei handelt es sich um sogenannte Offshore-Kulturen von Makroalgen. Von allen Algen produzieren sie pro Fläche und Jahr am meisten Biomasse.
Alle offenen Kultivierungssysteme sind natürlicherweise schwerer zu steuern, weil sie den verschiedensten Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, z.B. der Verunreinigung mit nicht erwünschten Bakterien.Bei der Verwendung von Mikroalgen und Cyanobakterien kommen zunehmend geschlossene Systeme zum Einsatz. Dort entfallen viele der zuvor genannten Probleme. In sogenannten Fotobioreaktoren (Flachplatten-, Röhrenreaktoren) können viele Prozesse sehr gezielt gesteuert werden (Temperatur, pH-Wert, Versorgung mit Nährsalzen und Kohlenstoffdioxid, Entsorgung toter org. Substanz, etc.). Eine Kontaminierung mit Bakterien wird hier unwahrscheinlicher.Ein Problem, das nur schwierig gelöst werden kann, ist die gezielte Entgasung geschlossener Systeme, d.h. die Entfernung von zu viel Sauerstoff. Ab einer bestimmten Konzentration dieses Gases wird die Fotosynthese hemmt, gewünschte Stoffwechselprozesse blockiert und letztlich können die eingesetzten Organismen sogar vergiftet werden.Die Produktivität der geschlossenen Systeme übertrifft die der Teichsysteme pro Fläche und Volumeneinheit. Geschlossene Systeme verlangen allerdings einen noch höheren technischen Aufwand und Energieeinsatz. Vor allem deshalb sind sie wesentlich teurer als offene Systeme. Damit verbunden ist häufig eine Unwirtschaftlichkeit, im Vergleich zu der Biokraftstoff-Herstellung in der 1. Generation.Einen Weg, diesen Nachteil abzubauen, sehen Wissenschaftler in dem konsequenten Betrieb der Anlagen für die 3. und 4. Generation auf der Grundlage einer „Bioraffinerie“. Das heißt, dass die eingesetzten Algen und Bakterien als vielfältige Rohstoffquelle angesehen werden. Auf den Prozesswegen zum Biokraftstoff sollen dementsprechend möglichst viele weitere neue Produkte entstehen (siehe hier) bei gleichzeitiger Verringerung des Energieeinsatzes. Dabei kann es sich neben den Biokraftstoffen u.a. um Produkte für die chemische Industrie, den Kosmetik- oder Nahrungsmittelbereich sowie Futtermittel handeln.Die Zukunft von Biokraftstoffen in der 3. und 4. Generation wird allerdings noch von einem weiteren Faktor maßgeblich beeinflusst. Für den weltweit handelnden, sehr mächtigen Verbund vielfältiger Unternehmen aus dem Agrarsektor, die nach wie vor vorrangig für die Produktion der 1. Generation von Biokraftstoffen stehen, werden die beiden Generationen der „Algen-/Bakterienwege“  in Zukunft möglicherweise eine große Konkurrenz sein.
Biokraftstoffe AlgenbiomasseQuelle: Google Earth

Abb. AV EB_6-24
Algen-Teichwirtschaft / Hawaii

 

Biokraftstoffe AlgenbiomasseQuelle: Fraunhofer IGB

Abb AV EB_6-25
180-Liter-Foto-Reaktormodule / Freilandanlage / Fraunhofer CBP / Leuna

Letztlich wird die Politik maßgeblich entscheiden müssen (siehe Mat. I ff.), ob und wenn ja, nach welchen Grundsätzen bzw. Kriterien zukünftig noch Biokraftstoffe hergestellt und genutzt werden (siehe hier). Bisher zeigt sich die Politik allerdings – mit Ausnahme weniger Forschungsprojekte –  nicht übermäßig interessiert an der Nutzung von Algen oder Bakterien zur Biokraftstoff-Herstellung.

Klick: Links für weitere allgemeine Informationen und Beispiele zum Einsatz von Algen und Bakterien für die Herstellung von Biokraftstoffen und anderen Produkten in der 3. und 4. Generation (ohne spezifische Auswahlkriterien, keine Reihenfolge)

(für alle gilt letzter Zugriff: 2021-12-13)
https://www.planet-wissen.de/natur/pflanzen/Algen_als_Treibstoff.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Algae_fuel
https://www.tum.de/TechnUniversMuenchen/Koennen_Algen_die_Welt_retten
https://www.tum.de/TechnUniversMuenchen/Carbonfasern_aus_Algen
https://www.wfb-bremen.de/de/page/blaualgen-sauerstoff-biokraftstoff-lebensmittel-produktion
https://biooekonomie.de/nachrichten/neues-aus-der-biooekonomie/algenzucker-als-ressource-nutzen
https://www.klimaschutz.de/de/projekte/die-algen-bioraffinerie
https://biooekonomie.de/foerderung/foerderbeispiele/auf-dem-weg-zur-aquatischen-bioraffinerie
https://biooekonomie.de/nachrichten/neues-aus-der-biooekonomie/chemikalien-aus-der-mikroalgen-raffinerie
https://www.igb.fraunhofer.de/de/forschung/algenbiotechnologie/algenbiomassenutzung/bioraffinerie-algenstaerke.html
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096195341200517X#screen-reader-main-title
https://www.uni-konstanz.de//aktuelle-meldungen/Algen-speichern-Energie-auf-Umwegen
https://corporate.exxonmobil.de/Forschung-und-Entwicklung/Vorteile-Biokraftstoffe-Algen
https://naturwissenschaften.ch/synthetic-biology-explained/applications/fuel_from_seaweed
https://de.euronews.com/next/2020/02/17/algen-treibstoff-der-zukunft
https://www.hs-anhalt.de//angewandte-biowissenschaften-und-prozesstechnik/algenbiotechnologie/warum-algen.html
https://publikationen.bibliothek.kit.edu/LKW_Algenkraftstoffe
https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/biotechnik/gruene-revolution-algen-machen-e10-umweltfreundlicher/
https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/energie/japan-setzt-treibstoff-algen/
https://www.americanscientist.org/article/making-biofuel-from-microalgae
https://greengarageblog.org/15-advantages-and-disadvantages-of-using-algae-as-a-biofuel
https://oceanblog.de/2020/03/enzyme-aus-algen-fuer-die-bioindustrie/
https://link.springer.com/article/Ten years of algal biofuel and bioproducts
https://en.wikipedia.org/wiki/Algae_fuel
https://en.wikipedia.org/wiki/Culture_of_microalgae_in_hatcheries
https://farm-energy.extension.org/algae-for-biofuel-production/
https://www.intechopen.com/Biofuels from Microalgae


Das Typische der 3. Generation der Biokraftstoffe ist die Nutzung bzw. Verarbeitung der kultivierten und dann geernteten Rohbiomasse. Wie zuvor erwähnt, werden solche Algen-/Bakterienarten genutzt, die unter chemischen und physikalischen Gesichtspunkten in ihrer Leistungsfähigkeit optimiert worden sind. Dieses erfolgt oft unter Einsatz gen- und biotechnologischer Methoden.

Die folgende Abbildung zeigt den grundsätzlichen Weg der Herstellung von Biokraftstoffen in dieser Generation. Was hier nicht wiedergegeben werden kann, ist das angestrebte Prinzip der Algen-Raffinerie, d.h. die zusätzliche Gewinnung verschiedenster Stoffe(= Neben- / Kopplungsprodukte) auf den Wegen zu den Endprodukten.

Die besondere Leistung der Enzyme besteht darin, dass die eingesetzten Organismen aufgrund ihres optimierten Stoffwechsels in ihren Zellen Zwischen- oder sogar Endprodukte für die Gewinnung von Biokraftstoffen und anderen Produkten enthalten. Diese müssen „lediglich“ aus der Algen-Rohmasse „entnommen“ werden (siehe Mat. XII ).

 

Biokraftstoffe Algenbiomasse

Abb. AV EB_6-26
Herstellung von Biokraftstoffen der 3. Generation (schematisch u. vereinfacht)
Anmerkung:
*Die eingesetzten Verfahrenstechniken ähneln zum Teil denen der 1. und  2. Generation der Biokraftstoff-Herstellung (siehe z.B. Mat. III – Mat. VI) Einige gehen etwas andere Wege.

Alle Schritte bis hin zur Herstellung der verschiedenen Endprodukte sind zurzeit energieaufwendig. Vor allem die Kultivierung, die Trennung vom Medium (= Ernte) und Verarbeitungsvorbehandlungen (Zentrifugieren, Waschen, Gefriertrocknen, Mörsern etc.) treiben die Produktionskosten in die Höhe. Es wird intensiv daran gearbeitet, diese Kosten zu senken.
Kritisch sind hier bestimmte energieaufwendige Verfahrenstechniken zur Gewinnung der Endprodukte zu sehen, wie die Pyrolyse oder die Gasifikation.


Einen ganz anderen Weg geht die Herstellung von Biokraftstoffen in der 4. Generation. Grundlagen sind in erster Linie Mikroalgen und Cyanobakterien (= „Blaualgen“).
Ein maßgeblicher Unterschied zur 3. Generation besteht darin, dass hier nicht mehr die Algenbiomasse nach der Kultivierung geerntet und verarbeitet wird.  Stattdessen produzieren die eingesetzten Organismen mit Hilfe ihrer optimierten Enzyme kontinuierlich in ihrem Stoffwechsel Zwischen- und  Endprodukte, die nach außen abgegeben,  „abgeschöpft“ und direkt verwertet oder noch weiterverarbeitet werden können.
Die eingesetzten Organismen werden als  „Minifabriken“ angesehen, die mithilfe von Metabolic Engineering bzw. der Synthetischen Biologie an die speziellen Ziele angepasst worden sind. Der Kern aller Aktivitäten besteht darin, „benutzerdefinierte“ Vorgaben oder Ziele über die Steuerung verschiedenster Stoffwechselwege zu verwirklichen. Dazu gehören auch Veränderungen im Genom. Dieses ist u.a. durch die Beherrschung der CRISPR-CAS-Methode einfacher geworden (siehe AB 15_2.3). In diesen Punkten ähnelt die 4. Generation der Biokraftstoff-Herstellung weitestgehend der 3. Generation.

Wie auch schon in der 3. Generation der Biokraftstoff-Herstellung wird auch hier angestrebt, die Produktion im Sinne einer Bioraffinerie zu betreiben, d.h. im Rahmen der Nutzung möglichst viele Neben- bzw. Kopplungsprodukte herzustellen. In der Regel wird in dieser Generation nur in geschlossenen Systemen gearbeitet.

Die folgende Abbildung zeigt vereinfacht das Prinzip der Herstellung von Biokraftstoffe in dieser Generation.

Biokraftstoffe Algenbiomasse

Abb. AV EB_6-27
Herstellung von Biokraftstoffen der 4. Generation (schematisch u. vereinfacht)

Vor dem Hintergrund der direkten Nutzung von Stoffwechselleistungen zeigen sich bisher hauptsächlich folgende Probleme:

  • Es gelingt noch nicht immer, die verschiedenen aufbauenden und abbauenden Stoffwechselwege (siehe auch AB 2_1) so zu steuern, dass der Einsatz von Rohstoffen (Nährsalze, -stoffe, CO2) und die gleichzeitig gewünschte Produktion spezifischer Stoffe reibungslos nebeneinander funktioniert.
  • Grundsätzlich stellen die unterschiedlichen Toleranzbereiche der Mikroorganismen gegenüber den verschiedensten Umweltfaktoren auch in dieser Generation eines der größten Probleme dar. Dahinter verbergen sich natürlich vorwiegend die im Exkurs Enzyme erläuterten Toleranzen der am Stoffwechselgeschehen beteiligten Enzyme. (siehe Exk.-B / Teil 2. / AB AW 5a)

Weiter Probleme liegen im Stoff- und Energieeinsatz im Rahmen der Produktionsprozesse. Intensiv wird deshalb daran gearbeitet, dementsprechende Werte stark zu reduzieren. Unter anderem wird versucht, geeignete Abwässer oder Abgase zu nutzen und regenerative Energie einzusetzen. Auch hier erweisen sich die speziellen Ansprüche der jeweils ausgewählten Organismen als schwer lenkbar.
Ein grundsätzliches Problem beim Einsatz autotropher Mikroorganismen in geschlossenen Systemen besteht schließlich in der Produktion von Sauerstoff. Eine zu hohe Anreicherung im Medium stört die gewünschten Stoffwechselprozesse bzw. kann sogar tödlich sein, d.h. Enzyme werden in ihrer Aktivität gehemmt.

Realistischerweise muss gesagt werden, dass die auf der Basis von Mikroorganismen hergestellten Biokraftstoffe der 4. Generation zurzeit noch keine wirtschaftliche bzw. wettbewerbsfähige Alternative sind. In den meisten Fällen befinden sich die Arbeiten zur Nutzung von Mikroalgen und Cyanobakterien  in der Forschungs- und Entwicklungsphase und müssen noch auf industrielle Maßstäbe übertragen werden. Einige Firmen, die zu Beginn des letzten Jahrzehnts versucht haben, am Markt zu bestehen,  sind wieder verschwunden. Nach den Veröffentlichungen zu urteilen, nehmen Aktivitäten von Forschung und Entwicklung in diesem Bereich jedoch wieder deutlich zu. Die Umsetzung in den industriellen Maßstab ist angekündigt.

Gemeinsam arbeiten weltweit Wissenschaftler aus den Natur-, Ingenieur- und Geisteswissenschaften an der gesellschaftlichen Akzeptanz der neuen Biokraftstoffe und weiterer Stoffe auf der Grundlage von Mikroalgen und Bakterien.
Die Notwendigkeit dazu ergibt sich aus der Nutzung bio- und gentechnologischer Methoden (siehe hier) beim Einsatz entsprechend veränderter Organismen. Risiken für die Umwelt müssen dabei ausgeschlossen werden.Informationen darüber enthält das Material Mat.XIVOptimierung von Mikroorganismen zur Biokraftstoff-Herstellung – ein Sicherheitsproblem?“.

Biokraftstoffe AlgenbiomasseQuelle: flickr

Abb. AV EB_6-28
Problem Genmanipulation?

Biokraftstoffe AlgenbiomasseQuelle: wikimedia

Abb. AV EB_6-29
Macrocystis pyrifera (Braunalge)

Biokraftstoffe AlgenbiomasseQuelle: wikimedia

Abb. AV EB_6-29
Gephyrocapsa oceanica (Grünalge)

Biokraftstoffe AlgenbiomasseQuelle: Biology Open

Abb. AV EB_6-30
Synechocystis sp. (Cyanobakt.)

Die Mat. XII und Mat. XIII behandeln das zuvor kurz Dargestellte in ausführlicherer Form. Anhand von Beispielen wird außerdem aufgezeigt, was grundsätzlich in der 3. und 4. Generation der Biokraftstoff-Herstellung und der damit verbundenen Gewinnung von Stoffen möglich ist.
Aspekte zur Schaffung von Sicherheit beim Einsatz von gen- und biotechnologisch optimierten Algen und Cyanobakterien werden in Mat. XIV dargelegt.
Mat. XII  : Biokraftstoffe aus Algen-Biomasse
Mat. XIII : Biokraftstoffe “aus” dem Algen-Stoffwechsel 
Mat. XIV :  Optimierung von Algen zur Biokraftstoff-Herstellung – ein Sicherheitsproblem?
Die Bearbeitung der Aufg. 16 – 20 ermöglicht u.a. Aussagen zu folgenden Fragen
in Bezug auf die 3. und 4. Generation der Biokraftstoffe:
Was sind Algen und welche Bedeutung haben sie für das Leben
in aquatischen (= Wasser-) Ökosystemen?
Welche Besonderheit kennzeichnet die sogenannten
Blaualgen (= Cyanobakterien)?
Welche Schwierigkeiten müssen bewältigt werden, um aus
Algen Biokraftstoffe und andere Produkte herzustellen?
Was muss sich ändern, damit die Algenprodukte der 3. und 4. Generation wirtschaftlich werden?
Was ist eine Algen-Bioraffinerie und worin liegt deren besondere Bedeutung?
Wodurch unterscheiden sich die Ziele und die Herstellungswege
der beiden Generationen?

 

  1.    Von Algen hört man selten etwas – sind die eigentlich wichtig in der Natur?
    1. Erläutere die Bedeutung der Mikro- und Makroalgen nicht nur für das Leben im Wasser, sondern für das Leben auf der Erde insgesamt.
      Folgende Stichworte helfen u.a. weiter: Nahrungskette, Phytoplankton, Primärproduktion, autotrophe Lebensweise, Fotosynthese, Sauerstoffproduktion, Stickstoff- und Phosphorbindung
    2. Begründe, warum Makroalgen auch als „Unterwasserwälder“ bezeichnet werden und was sie mit dem Begriff „ökologische Nische*“ zu tun haben.
    3. Blaualgen sind keine Algen, sondern Cyanobakterien. Wir hören immer nur von ihnen, wenn in einem Badesee zu viele davon vorkommen
      Begründe, warum sie eine entscheidende Stelle für die Entwicklung aller Lebewesen im Verlaufe der Evolution einnehmen.
  1. Algen mal eben so zur Herstellung von Biokraftstoffen und anderen Produkten zu nutzen, geht nicht! Dazu mussten / müssen eine Reihe von Problemen gelöst werden.
    Erläutere diese. Orientiere dich u.a. an folgenden Begriffen: Individualität, Toleranz/ökologische Potenz, gen- und biotechnologische Eingriffe, Sicherheit.
  1. Im Vergleich zur Herstellung von Biokraftstoffen in der 1. und 2. Generation, kann man mit dem Einsatz von Algen bestimmte Umweltprobleme reduzieren bzw. vermeiden. Andererseits bringt auch die Verwendung von Algen Umweltprobleme mit sich, die vermieden werden müssen.
    Erläutere diese Aussagen.
  1. Algen und ihre wirtschaftliche Nutzung werden einerseits als überflüssig angesehen und anderseits als zukunftsweisend.
    1. Nenne und erläutere die Gründe, warum nicht nur Wissenschaftler, sondern auch Wirtschaftsunternehmen Interesse an der Nutzung von Algen zeigen.
    2. Begründe, warum die wirtschaftliche Nutzung von Algen unter den Gesichtspunkten des Klimawandels und der Ressourcenschonung und anderer Umweltaspekte sinnvoll sein kann.
    3. Die Gründe dafür, dass sich die Nutzung von Algen für die Herstellung von Biokraftstoffen und anderen Produkten bisher nicht im industriellen Maßstab durchgesetzt hat, sind nicht nur in den Bereichen Naturwissenschaften und Technik zu suchen. Auch wirtschaftliche und politische Gründe spielen dafür eine Rolle. Nenn einige davon.
      Orientiere dich u.a. an folgenden Begriffen:  wirtschaftliche Konkurrenz, Technologieneutralität (siehe Mat. I / (5)), politische Schwerpunktsetzung (siehe Mat. I / (2)).
  1. In Zusammenhang mit der Nutzung von Mikroorganismen für die (Biokraft-)Stoff-Herstellung wird häufig der Begriff „Bio-Raffinerie“ oder „Algen-Raffinerie“ benutzt.
    Erkläre diesen Begriff und erläutere seine zukünftige Bedeutung für die Nutzung von Mikroorganismen auch unter dem Gesichtspunkt der Bioökonomie.
    Hilfen findest du in der Linkliste (siehe oben) oder in dem Mat. I / (5).
  2. Die Herstellungswege von Biokraftstoffen und anderen Produkten im Rahmen der 3. und 4. Generation weisen Gemeinsamkeiten und Unterschiede und auch Vor- und Nachteile auf. Nenne und erläutere diese.

*Eine ökologische Nische ist kein räumliches Gebilde, sondern umfasst alle abiotischen und biotischen Faktoren, die die Existenz einer Art / mehrerer Arten ermöglichen.

 

 

Creative Commons Lizenzvertrag
Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung – Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International Lizenz.