Mikroalgen als Unit Operation in Bioraffinerien:
Nährstoffrecycling und biologische CO₂-Nutzung

Um in Zukunft nachhaltige, ressourcenschonende und umweltverträgliche Verfahren für die stoffliche und energetische Nutzung von Algenbiomasse zu etablieren, entwickelt das Fraunhofer IGB Prozesse, bei denen Mikroalgen Abgas-CO₂ photosynthetisch nutzen. Das Abgas-CO₂ kann hierbei sowohl aus Verbrennungsprozessen als auch aus biotechnologischen Prozessen wie z. B. der Ethanolherstellung stammen.

Ein wirtschaftlicher Ansatz ist es, zunächst die Wertstoffe aus den Algen zu gewinnen und die Restbiomasse anschließend in einer Biogasanlage zu vergären. Nach der Erzeugung von Strom und Wärme aus dem Biogas im Blockheizkraftwerk kann das entstandene CO₂ wieder in den Kreislaufprozess zur Algenbiomasseproduktion zurückgeführt werden. Für eine positive Energiebilanz der photoautotrophen Algenproduktion ist die Nutzung von Abfall-CO₂ eine wichtige Grundvoraussetzung.

Zusätzlich besteht die Möglichkeit, Abwasserströme aus der Biogastechnik, welche anorganische Nährstoffe wie Ammonium und Phosphat enthalten, zu nutzen. Die Algen sind bei diesem Ansatz das Bindeglied zwischen unbelebter und belebter Materie, da sie mittels Sonnenlicht in der Lage sind, aus anorganischen Komponenten organische Stoffe zu synthetisieren.

Abwasserströme aus Biogasanlagen zur Klärschlammvergärung mit hohen Beladungsraten, sogenannte Hochlastfaulungen, zeichnen sich durch hohe Ammonium- und Phosphatkonzentrationen bis zu 1300 mg NH₄ pro Liter bzw. 200 mg Phosphat pro Liter aus. In der Regel wird in diesen Abwasserströmen in energieintensiven Prozessschritten Ammonium zu Stickstoff umgesetzt oder zusammen mit Phosphat gefällt. Eine Wiedernutzung ist damit nicht möglich. In verschiedenen Projekten konnte das Fraunhofer IGB zeigen, dass stark N- und P-haltige Abwasserströme für die Algenproduktion eingesetzt werden können, um Nährstoffkreisläufe zu schließen und synthetische Medien für die Algenkultivierung zu ersetzen.

Dies ist ein weiterer Schritt, um Algenbiomasse für die energetische Verwertung (Öle, Biogas) mit einer nachhaltigen Kreislaufführung von Wasser und Nährstoffen herzustellen, die zudem deutlich die Kosten und den Energiebedarf reduziert.

Im Projekt »Mehr Biogas aus lignocellulosearmen Abfall- und Mikroalgenreststoffen durch kombinierte Bio-/ Hydrothermalvergasung – EtaMax« konnte in Versuchen mit Phaeodactylum tricornutum, einer Alge, welche die Omega-3-Fettsäure EPA (Eicosapentaensäure) enthält, erfolgreich Filtratwasser aus zwei verschiedenen kommunalen Biogasanlagen als Kulturmedium eingesetzt werden. Für die kontinuierliche Biomasseproduktion in Flachplatten-Airlift-Photobioreaktoren musste je nach Herkunft des Filtratwassers lediglich Phosphat bis zu einem optimalen N-zu-P-Verhältnis zugegeben werden. Die mit Filtratwasser erzielten Biomasseproduktivitäten waren sogar höher als die mit synthetischem Medium.

Im Projekt RoKKa wurde die Nährstoffentfernung aus Filtratwasser durch Mikroalgen mit der Nutzung von CO₂ aus dem Faulgas der Kläranlage verknüpft.

Pro Kilogramm erzeugter Mikroalgenbiomasse wird die Kohlenstoffmenge aus circa zwei Kilogramm CO₂ gebunden. Die Mikroalgentechnologie eignet sich damit hervorragend als Unit Operation für die biologische CO₂-Fixierung und die Produktion von Koppelprodukten in Bioraffinerien, um die Entsorgung bzw. Reinigung eines Abfallstroms mit der Wertschöpfung durch entstehende Produkte zu verknüpfen. 

Mikroalgen-Modul für CO₂-Nutzung auf Kläranlagen

Im Projekt RoKKa konnte ein Mikroalgen-Verfahrensmodul nährstoffreiche Prozessströme der Kläranlage sowie CO₂ aus dem Faulgas der Kläranlage in Biomasse und wertvolle Speicherstoffe umwandeln. Für die Nährstoffversorgung der Mikroalgen wurde neben dem Filtratwasser, das reich an Ammonium-Stickstoff ist, das im ePhos-Modul produzierte Magnesium-Ammonium-Phosphat zudosiert, um die geringe Konzentration von Phosphat im Filtratwasser auszugleichen und ein optimales Verhältnis von Stickstoff zu Phosphor zu erreichen. Der eingesetzte Mikroalgenstamm Phaeodactylum tricornutum produzierte hier pflanzenstimulierende Polysaccharide, sogenannte Beta-Glucane. Diese können Pflanzen bei der Abwehr von Pilzinfektionen wie Mehltau unterstützen und in Zukunft chemische Pflanzenschutzmittel teilweise ersetzen, beispielsweise im Weinbau. 

Mikroalgen-Modul für Nutzung von CO₂ aus Fermentationen

Eine Bioraffinerie in eine bestehende Industrieumgebung am Standort der Evonik Operations GmbH in Rheinfelden zu integrieren, war Ziel des Projekts SmartBioH₂-BW. Mittels zweier miteinander verknüpfter biotechnologischer Verfahren (Purpurbakterien und Mikroalgen) sollten aus anfallenden industriellen Abwasser- und Reststoffströmen Biowasserstoff und weitere biobasierte Produkte erzeugt werden. Hier wurde eine Mikralgen-Anlage an das Purpurbakterien-Modul gekoppelt, in dem Kohlenstoffdioxid (CO₂) als Nebenprodukt anfällt. Die Algen binden es in ihrer Biomasse und produzieren hierbei weiteren Wasserstoff sowie Stärke. 

Auch im Projekt »H₂Wood – Black Forest« wurde ein Algenmodul integriert, um CO₂ aus der bakteriellen Fermentation zu nutzen. Mit der Mikroalge Chlorella sorokiniana können daraus unter Lichteinfluss Speicherstoffe wie Stärke und Carotinoide wie Lutein als weitere, von unterschiedlichen Industriebranchen verwertbare Koppelprodukte synthetisiert werden.