Setzt die deutsche Landwirtschaft zukünftig auf Mikroalgen? Mit den einzelligen Wasserpflanzen lassen sich jedenfalls zahlreiche Wertstoffe produzieren, die sich z. B. Biomassequelle für die Bioökonomie nutzen lassen. Im Verbundprojekt „FuTuReS“ untersuchten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, der Universität Hohenheim in Stuttgart und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), unter welchen Bedingungen und für welche Zwecke sich die Algenkultivierung lohnt. Nach zwei Projektjahren zieht das Forschungsteam nach eigenen Angaben eine positive Bilanz: Der Schlüssel liege in der richtigen Auswahl der Wertstoffe und der Nutzung von künstlichem Licht.

Mikroalgen seien genügsam und zugleich produktiv: Sie benötigen nur Licht, CO₂ und einige Nährstoffe zur Herstellung von Wertstoffen. Je nach spezifischer Algenart können die Einzeller etwa Farbstoffe, Omega-3-Fettsäuren oder Proteine produzieren, die etwa für den Einsatz in der Lebensmittel- oder Kosmetikindustrie geeignet sind. Darüber hinaus stellen sie auch eine Quelle für Biomasse dar, die sich als Futtermittel nutzen lässt. Eine Algenkultivierung könnte Landwirten somit potenzielle neue Geschäftsfelder eröffnen.

Projekt untersuchte praxisrelevante Faktoren

Um dieses Potenzial für die Landwirtschaft zu erschließen, beschäftigte sich das vom BMEL geförderte Verbundprojekt FuTuReS mit der Frage, wie die Algenkultivierung konkret gestaltet werden muss, damit sie sich wirtschaftlich lohnt und ökologisch sinnvoll ist.

Für die Erzeugung der Biomasse mit künstlichem Licht benötige man keine Agrarflächen oder könne stillgelegte landwirtschaftliche Infrastruktur nutzen, z. B. leerstehende Ställe. Dies und die hohen Ausbeuten bei wertvollen Stoffen könnten die Algenkultivierung zu einem potenziell lohnenden Geschäft machen. Es komme aber darauf an, welche Produkte man herstellen möchte und für welche Branche diese bestimmt seien.

Prozessdaten aus Mikroalgenproduktion und Wertstoffextraktion

Für das Projekt spielte das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB erstmals verschiedene Kultivierungsszenarien im Pilotmaßstab durch: Die Algenzucht in Photobioreaktoren einerseits bei Sonnenlicht in Freilandanlagen oder Gewächshäusern und anderseits mit künstlicher Beleuchtung in geschlossenen Indoor-Anlagen. Die Forscher setzten dabei die einzellige Kieselalge Phaeodactylum tricornutum ein, welche sich auch unter den Bedingungen des mitteleuropäischen Klimas gut züchten lässt.

Es komme darauf an, welche Produkte man aus den Algen herstellen möchte und für welche Branche diese bestimmt seien.

„Um die Wirtschaftlichkeit der Algenkultivierung zu erhöhen, haben wir in FuTuReS zudem die verschiedenen Wertstoffe nach dem Prinzip einer Bioraffinerie nacheinander aus derselben Biomasse extrahiert“, erläutert Dr. Ulrike Schmid-Staiger, Projektkoordinatorin am Fraunhofer IGB und Leiterin der Algenbiotechnologie-Forschungsgruppe des Instituts. Farbstoffe, Fettsäuren, Proteine und Kohlenhydrate können so als einzelne Fraktionen gewonnen werden.

Höherer Biomasse-Ertrag dank kontinuierlicher künstlicher Beleuchtung möglich

Die generierten Prozessdaten wurden im nächsten Schritt an der Universität Hohenheim ausgewertet. Die Bilanzierungen brachten laut Pressemitteilung zutage, dass die durchgehende Beleuchtung mit künstlichem Licht aus energiesparenden LED-Lampen Vorteile gegenüber der (natürlicherweise nicht durchgehenden) Nutzung von Sonnen- bzw. Tageslicht im Freilandbetrieb hat. Durch die unterbrechungsfreie Lichtversorgung tags und nachts konnten die produzierte Mikroalgen-Biomasse von 14 auf 123 Tonnen pro Hektar gesteigert und gleichzeitig die Kosten für die Herstellung eines Kilogramms Biomasse erheblich gesenkt werden – um ganze 70 %. Der Strombedarf falle um 54 % höher aus, es werde aber weniger Wasser und Fläche benötigt (80 bzw. 86 %).

Mit Blick auf die Ausbeute der dabei produzierten Wertstoffe biete sich dagegen ein differenziertes Bild: „Erfolgreich waren unsere Untersuchungen mit Blick auf Fucoxanthin und EPA – bei diesen hochpreisigen Produkten sehen wir, dass sich der Produktionsaufwand wirtschaftlich rechnet“, sagt Dr. Schmid-Staiger. Die darüberhinausgehende Gewinnung von Proteinen erhöht die Profitabilität allerdings nicht mehr, da Proteine global aktuell zu recht günstigen Preisen erhältlich sind.

Landwirtschaftliche Betriebe aufgeschlossen gegenüber Kultivierung

Landwirtschaftliche Betriebe seien der Algenkultivierung gegenüber grundsätzlich aufgeschlossen, verweisen aber auf weiteren Forschungs- und Förderbedarf. „Unter günstigen Rahmenbedingungen könnte die Mikroalgenkultivierung für einige Akteure in der Landwirtschaft ein neues Geschäftsfeld werden, um regional hochwertige Produkte zu erzeugen – das Potenzial ist auf jeden Fall da. Das haben unsere Forschungsarbeiten eindeutig gezeigt“, bilanziert Dr. Christine Rösch, Leiterin der Forschungsgruppe „Nachhaltige Bioökonomie“ des Instituts für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Landwirtschaftliche Betriebe sind der Algenkultivierung gegenüber grundsätzlich aufgeschlossen, verweisen aber auf weiteren Forschungs- und Förderbedarf.

Sie empfiehlt eine konsequente Weiterentwicklung der Mikroalgentechnologie, vor allem mit Blick auf Steuerung und Automatisierung, sowie die Förderung von Investitionen und genossenschaftlichen Kooperationen. „Wir haben im Projekt FuTuReS großen Wert daraufgelegt, von Anfang an mit den Stakeholdern ins Gespräch zu kommen und diese in die Forschung einzubeziehen“, sagt die Wissenschaftlerin.