Mat. XII: Biokraftstoffe aus Algen-Biomasse

Bestimmte Mikroalgen und Cyanobakterien sind in der Lage, besonders gut Lipide aufzubauen. Damit werden sie u.a. für die Biodiesel-Herstellung interessant. Andere Mikroalgen, wie auch viele Makroalgen, zeichnen sich dadurch aus, dass sie besonders viel Kohlenhydrate aufbauen und speichern. Deren Biomasse wird bevorzugt für die Bioethanol- oder Biogas-Herstellung genutzt. Vor allem für die Herstellung spezifischer Neben- bzw. Kopplungsprodukte spielt manchmal auch der Proteingehalt der Algen-Biomasse eine zusätzliche Rolle, wie z.B. bei der Produktion von Futtermitteln.

Um zu einer Entscheidung zu kommen, welche Algenart letztlich für die Kultivierung infrage kommt, müssen umfangreiche experimentelle Vorarbeiten geleistet werden.
Diese betreffen zum einen die sogenannte biochemische Optimierung.  Dabei geht es zunächst darum, Stoffwechselprozesse  – Auf-/Abbauvorgänge und daran beteiligte Enzyme – zu analysieren. In diesen Zusammenhängen werden die Leistungsbereiche der untersuchten Organismen für verschiedenste Umweltfaktoren ermittelt. Beispiele sind die Lichtintensität, die Lichtwellenlänge, der Gas- und Salzgehalt im umgebenden Milieu oder der Bedarf an Nährsalzen.

Auch wenn es in diesem Kontext häufig um die Ermittlung von Toleranzbereichen bzw. ökologischer Potenz geht (siehe AW 5a „Ein besonderes Diagramm – die Toleranzkurve “) so ist hier nicht immer der optimale Bereich derjenige, der erstrebenswert ist.
Ein Widerspruch?! Nein, Tatsache ist, dass manche Algen z.B. die Lipidproduktion bzw. Fettsäureausbeute bei „Stress“ steigern. Dabei kann es sich sowohl um eine bewusst herbeigeführte Begrenzung an Nährsalzen, z.B. Stickstoff, als auch um die eigentlich ungünstigere Werte in Hinblick auf die Temperatur oder den Salzgehalt handeln. Besonders gut wurden diese Phänomene bei Chlamydomonas reinhardtii (1), Chlorella sorokiniana (2)  und Microcystis panniformis / Cyanobakt. (3) untersucht (Abb. Mat XII 6-8).

Abb. Mat. XII-6 1 (EM)

Abb. Mat. XII-7 2 (EM)

Abb. Mat. XII-8 3 (Kultur)

Um die experimentell ermittelten Bedürfnisse einzusetzender Algen- und Cyanobakterien weiter zu verbessern und dauerhaft für die Produktionsprozesse verfügbar zu machen, bedarf es weiterer Arbeitsschritte. Es handelt sich dabei um Maßnahmen der klassischen Züchtung und/oder der gen- und biotechnischen Optimierung.
Vereinfacht ausgedrückt werden im ersten Fall die vererbbaren Eigenschaften von Organismen einer Art durch Vermehrung und Auswahl beeinflusst bzw. verändert. Dadurch erhält man schließlich Organismen einer Art, die den gewünschten Anforderungen besser entsprechen als die Ausgangsorganismen. Zugrunde liegen natürliche Prozesse, die allerdings durch die gezielte Förderung von Mutationen, z.B. durch Strahlung oder Chemikalien, beeinflusst werden können. Dieses Vorgehen ist grundsätzlich bei Makro- und Mikroalgen sowie bei Cyanobakterien anwendbar. Nicht ganz einfach zu handhaben sind dabei allerdings die teilweise recht komplizierten Fortpflanzungs- und Vermehrungsstrategien dieser Organismen.

Für die gen- und biotechnische Optimierung von Mikroalgen und Cyanobakterien ist die Aufklärung der Gensequenz des zu optimierenden Organismus Voraussetzung. Erst durch Veränderung von Teilen der Gensequenz durch eine Vielzahl von heute zur Verfügung stehende Methoden (siehe auch AB 15_2.3)  steht letztlich ein „neuer“ gewünschter Organismus zur Verfügung. Zu wichtigen Methoden gehören u.a. die Zufallsmutagenese, der Einsatz von CRISPR/Cas-Methode, aber auch der Gentransfer mithilfe von Agrobacterium tumefaciens.

In diesen Zusammenhängen wird intensiv daran geforscht, wie zu vermeiden ist, dass so optimierte Algen und Cyanobakterien in der Umwelt Schäden anrichten können (siehe auch AB Mat. XIV).

Bei Makroalgen werden gen- und biotechnologische Methoden nicht verwendet, sondern allenfalls die klassische Züchtung. Aber auch hier müssen umfangreiche Versuche zur biochemischen Optimierung durchgeführt werden, bis man sich entschließt, die gewählte Makroalgenart (= auch Seetang oder Kelp) für die Gewinnung von Biokraftstoff und weiteren Stoffen einzusetzen. Ein Großteil dieser Versuche findet im Freiwasser, d.h. in der Regel im Meer statt.

Die besonderen Vorteile der Makroalgen liegen darin, dass

• nicht um Süßwasser bzw. überhaupt um Wassermengen konkurriert werden muss;
• keine zusätzliche Düngung, wie bei Mikroalgen oder Cyanobakterien notwendig ist;
• keine Lebensräume kultiviert werden müssen, d.h. keine direkte oder indirekte Landnutzung stattfindet (siehe hier);
• damit positive Auswirkungen auf die Biodiversität zu erwarten sind, weil ein Makro-Algenwald (= Kelp-Forest) sehr viele ökologische Nischen bietet.

Eine häufig ausgewählte Makroalge ist der Riesentang Macrocystis pyrifera. Er gehört zu den am schnellsten wachsenden Pflanzen und seine Lebensbedingungen sind weitgehend aufgeklärt.

1. Besonders ertragreiche Makroalgenarten sollen fernab ihres eigentlichen Verbreitungsgebietes angesiedelt werden, um sie dort zur (Biokraft-)Stoffgewinnung zu nutzen.
   Formuliere eine Vermutung, warum es Ökologen gibt, die hier zur besonderen Vorsicht raten.
   Wenn dir dazu nichts einfällt, suche als Hilfe im Internet die Erklärung des Begriffes “invasive Art”.

Abb. Mat. XII-11 Chlorella

Abb. Mat. XII-12 Kieselalge Nitzchia sp. Fetttröpfchen

Über verschiedene gen- und biotechnologische Wege werden Veränderungen in der Fettsäuresynthese (siehe Exkurs unten) und der Speicherung von Fettsäure in der Zelle vorgenommen. Dabei wird nicht nur eine Leistungssteigerung der beteiligten Synthesen erreicht, sondern auch eine damit verbundene molekulare Umgestaltung der vorhandenen Fettsäuren angestrebt.

Für die Gewinnung von Biodiesel können die besonders lipidhaltigen Algen(-zellen) mithilfe von Mikrowellen oder Ultraschall aufgebrochen oder gepresst werden, um dann Öl zur späteren Umesterung (siehe Mat. VI) zu gewinnen.
Als Nebenprodukte fallen auch hier unterschiedlichste Stoffe an, die für die Herstellung weiterer Produkte (z.B. Biokunststoffe, Reinigungsmittel) vorwiegend in der chemischen Industrie genutzt werden.Besonders lipidhaltige Mikroalgenzellen können auch Grundlage für die Produktion von Nahrungsergänzungsmitteln oder Kosmetika sein.

Bleibt noch anzumerken, dass bei Landpflanzen, die zur Öl-Gewinnung die Produktivität wesentlich geringer ist als bei Algen. Der Ölgehalt beträgt bei Landpflanzen oft weniger als 5% , bei vielen Algen bis zu 70% der Biomasse.

Die wesentlichen Schritte zum Fettsäureaufbau findet bei den grünen Pflanzen in den Chloroplasten statt. Fettsäuren sind mehr oder weniger lange Kohlenstoff-Wasserstoff-Ketten (siehe AB 1_2.2).
Das sogenannte Starter-Molekül ist Acetyl-CoA, das nach heutiger Erkenntnis zum größten Teil im Chloroplasten aus Produkten der Fotosynthese mithilfe eines Enzymkomplexes*  gebildet wird. Die Reaktionsabläufe zu seiner Bildung sind nicht vollständig aufgeklärt.

Die Synthese der Fettsäuren erfolgt im Stroma der Chloroplasten ebenfalls über eine Enzymkette, dem Fettsäure-Synthase-Komplex. Diese Enzyme sind bezüglich ihrer Struktur und Funktion sowie der bestehenden genetischen Grundlagen bekannt. Unter Verarbeitung von Kohlenstoffatomen bilden sie einfach ungesättigte Fettsäureketten bis zu einer Länge 16 oder 18 C-Atomen.
Ein Teil dieser Fettsäuren werden z.B. zu Membranlipiden weiterverarbeitet. Ein anderer Teil gelangt in das glatte Endoplasmatische Reticulum (= glattes ER). Dort bewirkt eine spezielle Enzymgruppe, die Elongasen,  eine Fettsäurekettenverlängerung mit 20 und mehr C-Atomen. Andere Enzyme katalysieren dort auch mehrfach ungesättigte Fettsäuren, u.a. diejenigen, die vom Menschen nicht selbst hergestellt werden können. Als Folge weiterer enzymatischer Aktivitäten werden Fettsäuren und Glycerin zu Triglyceriden miteinander verbunden – es stehen somit Lipide zur Speicherung zur Verfügung.
Im dritten Schritt werden diese Lipide von einer einfachen Membran – entstanden aus der ER-Membran – umschlossen und als Öltröpfchen in der Zelle eingelagert. Sie dienen als Speicher für Kohlenstoff und Energie. Ihre Gewinnung ermöglicht die Verarbeitung u.a. zu Biodiesel.

Da die meisten Enzyme, die an diesen Prozessen beteiligt sind, nicht nur bezüglich ihrer Struktur und Funktion erforscht, sondern auch deren jeweils vorliegenden genetischen Grundlagen bekannt sind, können dort Änderungen vorgenommen werden. Die damit geänderten enzymatischen Abläufe können zu anderen Reaktionen und Produkten führen.
Eine Optimierung der Ölproduktion mithilfe von Algen wird somit möglich.

Bei den Cyanobakterien, verlaufen die Synthesewege in nur bedingt ähnlicher Art und Weise. Aber auch diese sind weitestgehend erforscht und dementsprechend zukünftig nutzbar.

*Enzymkomplex: Mehrere Enzyme, die in aufeinanderfolgenden Schritten verschiedene Reaktionen zwischen Substraten und Enzymen bewirken und damit eine Reaktionskette darstellen.

2. Beschreibe und erläutere in einfachen Worten einerseits das Typische für die Herstellung von Biokraftstoffen in der 3. Generation und andererseits die verschiedenen Möglichkeiten der Produktionswege.
3. Nenne und erläutere die Probleme, die in Zusammenhang mit der Auswahl, Kultivierung und Ernte der Algenbiomasse auftreten können.
4. Beurteile die Biokraftstoff-Herstellung in der 3. Generation unter den Gesichtspunkten „Umwelt- und Klimaschutz“.
5. Begründe einerseits die Notwendigkeit, in dieser Generation häufig Methoden der modernen Biologie anzuwenden (siehe AB 15_2.3) und formuliere andererseits die damit verbundenen Kritikpunkte. Lösungsansätze zu den Kritikpunkten findest du in Mat. IV.
6. Beschreibe und erläutere die bestehenden Schwierigkeiten, Algenbiomasse in der Zukunft zu nutzen und sie konkurrenzfähig zu anderen Biokraftstoffen – insbesondere zu denen der 1. Generation – zu machen.