Mikroalgen sind winzige Alleskönner. Für ihr Wachstum benötigen sie nur Licht, Wasser, Nährstoffe – und CO₂. Aus dem klimaschädlichen Treibhausgas stellen die Einzeller ihre Zellbausteine her, beispielsweise Proteine und Membranlipide, und unter bestimmten Wachstumsbedingungen auch Kohlenhydrate oder Fettsäuren als Speicherstoffe. Die Produkte der Mikroalgen, etwa Omega-3-Fettsäuren oder antioxidative Farbstoffe, lassen sich als Nahrungsergänzungsmittel oder in der Kosmetik einsetzen. »Bestimmte Polysaccharide sind aufgrund ihrer immunstimulierenden Eigenschaften auch als natürliche Pflanzenstärkungsmittel denkbar und selbst für die Textilindustrie liefern Fettsäuren aus Algenölen eine neue und nachhaltige Rohstoffbasis«, berichtet Dr. Ulrike Schmid‑Staiger, Leiterin der Algenbiotechnologie-Forschungsgruppe am Fraunhofer IGB.

»Im Kern unserer Forschung steht die Entwicklung von Prozessen und Technologien, um Algen wirtschaftlich zu kultivieren und ihre Inhaltsstoffe effizient extrahieren sowie aufreinigen zu können«, erläutert die Wissenschaftlerin. Für die Kultivierung der Algen setzen die Fraunhofer-Forscher eigens entwickelte Flachplatten-Airlift-Reaktoren ein, in denen die Zellen immer mit genügend Licht versorgt werden.

Subitec GmbH: Algen-Kultivierungsanlagen für globalen Markt

Hergestellt werden die Reaktoren von der Subitec GmbH mit Sitz in Stuttgart. Vor mehr als 20 Jahren als Spin-off aus dem Fraunhofer IGB gegründet, vertreibt die Firma heute weltweit Anlagen zur Kultivierung von Mikroalgen und Cyanobakterien. So stehen mehr als 2000 installierte FPA-Reaktoren in Anlagen etwa in Island, Japan und Australien. Die Anlagen betreiben Firmen, die Algeninhaltsstoffe bereits kommerziell herstellen, ebenso wie Forschungseinrichtungen. »Ein skalierbares Anlagendesign, die effiziente Nutzung der Produktionsressourcen Licht, CO₂, Nährstoffe und Temperatur sowie eine konstante, maximale Flächenproduktivität bei minimaler Flächennutzung werden für unsere Kunden in diesem wachsenden Markt immer wichtiger«, so Gabriele Fees von Subitec.

CO₂-Recycling mit Mikroalgen

Als regenerative Biomassequelle spielen Mikroalgen für neue Ansätze in der Bioökonomie eine Hauptrolle. Die Fähigkeit der Einzeller, mit CO₂ als alleiniger Kohlenstoffquelle wachsen zu können, macht sich das Fraunhofer IGB aktuell in verschiedenen Bioraffinerie-Projekten zunutze: Hier wird eine Mikroalgenkultivierung als Prozessstufe integriert, wenn es darum geht, im Gesamtprozess entstehende CO₂-Emissionen zu binden und damit zu verhindern, dass das Treibhausgas in die Atmosphäre gelangt.

»CO₂ entsteht beispielsweise bei der Vergärung von Klärschlamm im Faulturm, in Biogasanlagen, aber auch bei verschiedenen mikrobiellen Prozessen, die wir zur Konversion eines Reststoffs in ein neues Produkt einsetzen«, erläutert Dr. Ursula Schließmann, Koordinatorin des Geschäftsfelds Umwelt und Klimaschutz am Fraunhofer IGB. Der Vorteil des integrierten Mikroalgenprozesses liegt auf der Hand: Die Mikroalgen entfernen nicht nur CO₂, sondern produzieren daraus auch Wertstoffe. Die Nutzung von Mikroalgen ist damit ein Paradebeispiel für das sogenannte biologische Carbon-Capture-und-Usage (kurz: Bio-CCU). Ziel dieser Verfahren ist es, den Kohlenstoff aus CO₂ in komplexeren Kohlenstoffverbindungen zu binden und dadurch den Kohlenstoffkreislauf zu schließen.

Münter: Erfolgreiches Zusammenspiel von Biologie und Technik

Ministerialdirektor Dr. Michael Münter, Amtschef des Ministeriums für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg, zeigte sich beeindruckt: »Wir sehen hier ein außerordentlich erfolgreiches Zusammenspiel: Anwendungsorientierte Forschung am Fraunhofer IGB verbindet Biologie und Technik. Und daraus entsteht ein innovatives Unternehmen, das als Anlagenbauer mit Technologie made in Baden-Württemberg auf dem internationalen Markt in der Bioökonomie tätig ist. Das Recyceln von CO₂ nimmt weltweit Fahrt auf – und Subitec mischt als Anlagenhersteller für die Zucht von Algen und Bakterien als CO₂-Killer auf diesem Zukunftsmarkt mit.«

Mikroalgen zur Kreislaufführung von Nährstoffen

Zudem sind Mikroalgen auch in punkto Nährstoffrückgewinnung nützliche Helfer für die angestrebte Kreislaufwirtschaft. »Phosphor und Stickstoff, die Algen für ihr Wachstum benötigen, können sie problemlos aus Abwässern mit hohen Nährstoffkonzentrationen verwerten«, hat Schmid-Staiger mit ihrem Team herausgefunden. Auch diese Eigenschaft setzen die Fraunhofer-Forschenden in den laufenden Bioraffinerie-Projekten gewinnbringend ein. So wird in einer Abwasser-Bioraffinerie der flüssige Gärrest, der nach der Hochlastfaulung von Klärschlamm einer kommunalen Kläranlage übrig bleibt und gelöstes Ammonium und Phosphat enthält, der Mikroalgenprozessstufe zugeführt. In einem anderen Projekt nutzen Algen Ammoniumchlorid, einen industriellen Reststoff, für ihr Wachstum.