Wie Algakultur funktioniert

Algen, die hier auf einem Teich schwimmen, sehen vielleicht bescheiden aus, haben aber das Potenzial, die Energiewirtschaft zu verändern - wenn wir nur effiziente Wege finden, sie zu kultivieren. Hemera / Thinkstock

Wann ist ein Unkraut kein Unkraut? Die einfache Antwort lautet: Wenn es Seetang ist. Heute versprechen Algen, die die Form eines Unkrauts auf Wasserbasis oder eines gewöhnlichen Teichschaums annehmen können, immens, uns mit allem zu versorgen, vom Tierfutter bis zum Düsentreibstoff.

Algakultur ist der kommerzielle Anbau von Algen. Algen (der Singular ist "Alge", lateinisch für "Seetang", aber Sie werden selten nur eine finden) sind einfache grüne Pflanzen, die im Wasser wachsen. Aufgrund ihrer grünen Farbe produzieren sie ihre eigenen Lebensmittel mithilfe von Photosynthese, genau wie Gras, Bäume und Mais. Algen kommen in zwei Hauptformen vor. Makroalgen sind Algen. Seetang wird im Ozean mehr als 55 Meter lang [Quelle: Edwards]. Nori ist die Sorte, die Sie um Ihr Sushi gewickelt finden. Mikroalgen sind winzige einzellige Pflanzen, die im Wasser schwimmen und jeweils nur durch ein Mikroskop sichtbar sind.

Algakultur ist nichts Neues. Seetang wurde erstmals vor mindestens 1.500 Jahren in Japan kultiviert und die Algenproduktion ist dort immer noch ein großes Geschäft [Quelle: Guiry]. Dulse wurde lange Zeit auf den britischen Inseln gegessen und die Mikroalgen-Spirulina wurden von den Azteken des Mexiko des 16. Jahrhunderts geerntet. Neben der Bereitstellung menschlicher Nahrung wurden Algen als Düngemittel verwendet. Sie liefern das Lebensmittelverdickungsmittel Carrageen und andere Geliermittel und Stabilisatoren, die in allem von Suppe bis Zahnpasta vorkommen. Weltweit ist die Algenproduktion ein 6-Milliarden-Dollar-Geschäft [Quelle: Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen].

Heute ziehen Algen aufgrund ihres Potenzials, Energie zu liefern und Umweltbedrohungen zu bekämpfen, neues Interesse und neue Forschungsinvestitionen auf sich. Ein Teil der organischen Algenmasse besteht aus Öl, das herausgedrückt und in Biodiesel umgewandelt werden kann. Algen schlagen Landpflanzen zweifellos in der Effizienz, mit der sie Öl produzieren. Einige Algensorten ergeben ein Öl, das zu Benzin und sogar Düsentreibstoff raffiniert werden kann. Der Kohlenhydratanteil der Pflanzen kann zur Ethanolherstellung fermentiert werden.

Algen können Kohlendioxidabfälle, ein Treibhausgas, das aus Schornsteinen austritt, in verwertbare Produkte umwandeln. Sie können dazu beitragen, schmutziges Wasser zu reinigen und Schadstoffe in Biomasse umzuwandeln. Sie haben zusätzliche Anwendungen in Pharmazeutika und Kosmetika.

Bei all diesem Potenzial scheint dieses "Unkraut" einen genaueren Blick zu verdienen.

Inhalt

1. Das Versprechen der Algen
2. Kommerzieller Anbau von Algen
3. Algen ernten und verarbeiten
4. Die vielen Anwendungen für Algen
5. Anmerkung des Verfassers

Warum haben Algen in den letzten Jahren Aufregung erzeugt und Forschungsinvestitionen angezogen? Wie alle grünen Pflanzen enthalten Algen Chloroplasten in ihren Zellen. Diese winzigen Strukturen sind mit Chlorophyll aufgeladen, einem Molekül, das mithilfe von Lichtenergie Kohlenstoff und Wasser zu einem einfachen Zucker kombiniert. Die Zellen wandeln einige dieser Zucker weiter in Proteine ​​und Lipide oder Öl um.

Aber wenn Algen dasselbe tun wie Mais, Weizen und Apfelbäume, warum sollten sie sich dann die Mühe machen, sie zu züchten? Immerhin schmecken Maiskolben, süße Brötchen und Apfelkuchen für die meisten von uns besser als Seetang. Hier sind einige der Dinge, die Algen für sie tun:

• Produktivität: Algen wachsen super schnell. Landpflanzen brauchen Monate oder Jahre, um ihre Reife zu erreichen. Algen können ihren gesamten Lebenszyklus an einem einzigen Tag abschließen. Einige Algen können ihre Biomasse in nur einer Stunde verdoppeln [Quelle: Jha].
• Effizienz: Wenn es darum geht, Sonnenenergie in Biomasse umzuwandeln, sind Algen allesamt Geschäfte. Da sie von Wasser unterstützt werden und ihre Nährstoffe direkt aus dem Wasser beziehen, benötigen sie keine Wurzeln, Stängel oder Blüten. Landpflanzen verbrauchen bis zu 95 Prozent ihrer Energie, um die Strukturen aufzubauen, die sie zur Unterstützung, Fütterung und Züchtung benötigen [Quelle: Edwards].
• Konzentration: Algen können aufgrund ihrer Effizienz in einem sehr konzentrierten Raum gezüchtet werden. Sie produzieren bis zu 100-mal mehr Öl pro Morgen als Landpflanzen [Quelle: Edwards].
• Vielseitigkeit: Es wird geschätzt, dass es mehr als 70.000 Algenarten gibt, von denen viele noch nicht klassifiziert sind [Quelle: Guiry]. Die Erzeuger können diejenigen auswählen, die für die Bedingungen und Ziele geeignet sind, z. B. Sorten für einen bestimmten Temperaturbereich oder einen bestimmten Salzgehalt des Wassers.
• Wettbewerbsverbot: Algen konkurrieren nicht mit aktuellen Ernten um Land oder Süßwasser. Sie können in Teichen an Orten wie Wüsten angebaut werden, an denen keine Landpflanzen leben. Einige Sorten bevorzugen Kochsalzlösung oder verschmutztes Wasser.

Von all diesen Vorteilen angezogen, haben Algenzüchter fleißig daran gearbeitet, effiziente und wirtschaftliche Wege zu finden, um die Pflanzen zu züchten und zu ernten. Der Kostenfaktor ist derzeit die große Herausforderung, die bewältigt werden muss, um Algen wirtschaftlich rentabel zu machen.

Jede Algakultur erfordert drei Grundlagen: Wasser, Licht und Nährstoffe.

Wasser ist am einfachsten. Es muss nicht trinkbar sein; Verschiedene Arten von Algen wachsen gut in Süßwasser, Salzwasser und Schmutzwasser. Sonnenlicht ist das bevorzugte Licht, weil es kostenlos ist. Das Sonnenlicht erreicht jedoch nur 7 bis 10 Zentimeter (3 oder 4 Zoll) in einer Algenmasse, sodass die Züchter die Algen bewegen müssen, um alles dem Licht auszusetzen [Quelle: Chemeurope.com]. Der Hauptnährstoff ist Kohlendioxid, das aus der Luft oder einer anderen Quelle stammen kann. Durch Rühren oder Sprudeln wird es im Wasser aufgelöst. Der Züchter muss andere Nährstoffe wie Stickstoff und Spurenelemente liefern, wenn diese nicht bereits im Wasser sind.

Es gibt drei grundlegende Systeme für die Kultivierung von Algen mit ihren Vor- und Nachteilen:

1. Offener Teich: Der einfachste und billigste Weg, Algen zu züchten, sind große, flache Teiche. Das Wasser ist oft in konzentrische Bahnen oder Laufbahnen unterteilt, mit Schaufelrädern, um die Algenmischung im Kreis zu bewegen. Dies hilft, Algen an die Oberfläche zu bringen, wo sie Licht ausgesetzt sind, und mischt Nährstoffe und Kohlendioxid in die Flüssigkeit. Die Open-Pond-Methode produziert weniger Algenbiomasse als andere Methoden. Es verliert Wasser durch Verdunstung, daher muss mehr hinzugefügt werden. Und es ermöglicht eine Kontamination durch Raubtiere oder unerwünschte Algen.
2. Geschlossener Teich: Diese Methode ähnelt einem offenen Teich, aber das Wasser ist von einem Plexiglasgewächshaus bedeckt. Dies erhöht die Kosten, ermöglicht jedoch eine bessere Kontrolle des Prozesses. Es reduziert Verdunstung und Kontamination und verlängert die Vegetationsperiode. Züchter können das ganze Jahr über Algen züchten, wenn der Raum beheizt wird.
3. Biophotoreaktor: Der Biophotoreaktor ist ein vollständig geschlossenes System und besteht aus Glas- oder Acrylröhren, in denen die Algen Licht ausgesetzt sind. Pumpen fördern Wasser, Nährstoffe und Algen durch die Rohre und Lagertanks. Einige Reaktoren ernten die Algen automatisch, wenn sie bereit sind. Dieser Ansatz gibt den Erzeugern die größte Kontrolle über den Prozess und die effizienteste Möglichkeit, Algenbiomasse zu produzieren. Die Einrichtung und der Betrieb sind jedoch auch am kostspieligsten.

Alle diese Systeme sind für den Anbau von Mikroalgen konzipiert, den einzelligen Sorten, die im Wasser schwimmen. Die Züchter kultivieren normalerweise Makroalgen im offenen Meer. Das Wasser enthält bereits die Nährstoffe, die die Algen benötigen, und bietet gute Wachstumsbedingungen. Die traditionelle Methode bestand einfach darin, wilde Algen zu ernten, und dies geschieht immer noch in Küstengebieten auf der ganzen Welt.

Mit zunehmender Nachfrage begannen die Erzeuger, Seetang anzubauen. Bei einigen Sorten wie Seetang werden Sporen an Seilen befestigt, die dann im Ozean verankert werden, und die Algen können wachsen. Andere Arten wachsen aus Seetangstücken, die an Netzen befestigt oder in Pools abgelagert sind.

Die Landwirtschaft gibt es seit 10.000 Jahren [Quelle: Lienhard]. Algakultur ist relativ neu. Wissenschaftler und Ingenieure untersuchen aktiv die besten Möglichkeiten, um Algen effizient zu züchten. Die Ernte von Pflanzen ist ein weiteres Thema intensiver Forschung.

Steuern der Variablen

Der Algenbauer muss zwei wichtige Variablen kontrollieren, um eine gute Ernte zu erzielen. Der pH-Wert des Wassers ist wichtig - Algen bevorzugen einen pH-Wert von 7 bis 9 - leicht alkalisch. Die Temperatur ist ebenfalls kritisch. Algen wachsen meist zwischen 16 und 27 Grad Celsius und verschiedene Arten haben unterschiedliche Vorlieben [Quelle: oilgae.com].

Ein Arbeiter stapelt Körbe mit geernteten Algen am Wasser. iStockphoto / Thinkstock

Das Ernten von Mikroalgen bedeutet, die mikroskopisch kleinen Pflanzen aus dem Wasser zu entfernen, in dem sie wachsen, und sie zu einer Paste zu konzentrieren. Der Züchter muss dann die Feuchtigkeit entfernen und eine dichte Biomasse hinterlassen. Die winzige Größe von Mikroalgen ist ein Problem bei der Ernte.

Eine Methode ist Filtration. Der Züchter kann das algenhaltige Wasser durch eine Zellulosemembran laufen lassen, deren Poren kleiner als die Algenzellen sind. Dies kann schwierig sein, da sich Filter schnell mit Algen füllen und verstopfen. Forscher suchen nach besseren Möglichkeiten, um Algen effizient zu filtern.

Flockung, Eine andere Erntemethode besteht darin, die Algen zusammenklumpen zu lassen. Das Hinzufügen von Chemikalien oder Algentypen, die von Natur aus verklumpen, kann dazu führen, dass Mikroalgen Klumpen bilden, die sich leichter sammeln lassen.

Ein anderer Weg, um Algen zu ernten, ist durch Flotation. Hier verwendet der Züchter Druckluft, um einen Schaum aus Blasen und Algen zu erzeugen, der die winzigen Pflanzen an die Oberfläche bringt, wo sie abgeschöpft werden können.

Eine Zentrifuge ist eine weitere Erntemethode. Durch Drehen eines mit Wasser und Algen gefüllten Behälters sammeln sich die Algen an einem Ende.

Um ihre Ernte am effektivsten zu ernten, kombinieren Algakultur-Züchter manchmal diese Methoden. Sie könnten Flockung verwenden, um Algenklumpen zu bilden, und sie dann durch Flotation oder eine Zentrifuge trennen. Die Entwicklung einer wirklich effizienten Methode zur Ernte von Mikroalgen ist ein Schlüssel zur Senkung der Anbaukosten.

Das Ernten von Makroalgen ist mit verschiedenen Problemen verbunden. Das Sammeln von wildem Seetang ist ein arbeitsintensiver Prozess. Einige Arten von Algen, die unter kontrollierten Bedingungen gezüchtet werden, können in Netzen gesammelt werden. An Seilen aufgezogener Seetang kann herausgezogen und zum Trocknen aufgehängt werden. Seetangwälder in seichten Meeren können mit Maschinen gemäht werden, wobei die Spitzen von Unterwasser-Seetangbetten entfernt werden.

Nach der Ernte müssen die Algen aus dem Wasser abgelassen und getrocknet werden. Eine Zentrifuge kann Wasser herausschleudern, ist aber relativ teuer. Einige Systeme kombinieren Ernte und Verarbeitung, verteilen die Algen auf Bandfiltern, durch die das Wasser abfließen kann, und entfernen dann mehr Wasser mit einem Kapillarmedium, das Wasser aus der Algenbiomasse zieht.

Der nächste Schritt besteht darin, die Zellwände der Algen abzubauen, um das Öl im Inneren zu extrahieren. Die Algen werden durch eine Schnecken- oder Kolbenpresse gebracht. Chemikalien, elektromagnetische Impulse oder Ultraschall können ebenfalls verwendet werden, um die Zellen abzubauen. Wenn das Öl abgelassen wurde, wird die verbleibende Biomasse zu einem Kuchen komprimiert, der als Ergänzung für Tierfutter oder als Dünger verwendet werden kann.

Algen haben eine breite Palette von Anwendungen gefunden, die aufregendsten im Energiebereich.

Das Gerücht über Algen ist, dass es eine ideale Quelle für erneuerbare Energien ist und der ultimative grüne Brennstoff sein könnte. Forschungen der US-Regierung und von Unternehmen wie Boeing, Chevron und Honeywell entwickeln Wege, um die Algakultur zu einer wirtschaftlich tragfähigen Grundlage für eine neue Energieerzeugung zu machen [Quelle: Chemeurope.com]. Ein Teil der Attraktion ist die Auswahl an Brennstoffen, in die Algen umgewandelt werden können.

• Biodiesel ist der einfachste Weg, das Energiepotential von Algen zu nutzen. Wie jedes Pflanzenöl kann Algenöl chemisch in Biodiesel umgewandelt werden. Im Vergleich zu Landpflanzen wie Sojabohnen oder Mais verbrauchen Algen weniger Land und Süßwasser, wachsen schneller und haben höhere Ölkonzentrationen.
• Raffinierte Kraftstoffe für den Transport sind ein weiteres vielversprechendes Gebiet für Algen. Einige Algen produzieren Öl, das zu Benzin oder sogar Düsentreibstoff raffiniert werden kann, und zwar ohne die Schwefel- und Stickstoffverbindungen in Erdöl. Hersteller können es in denselben Raffinerien verarbeiten wie Lagerbestände auf Erdölbasis. 2011 flog der erste mit Algenöl betriebene kommerzielle Jet-Flug von Houston nach Chicago [Quelle: Fehrenbacher].
• Ethanol, Das üblicherweise dem Benzin zugesetzte Produkt kann sowohl aus Algen als auch aus Landpflanzen hergestellt werden. Algen bestehen neben Öl aus Kohlenhydraten und Zellulosewänden. Diese Materialien können durch Hefe zu Ethanol oder Getreidealkohol fermentiert werden.
• Methan, Der Hauptbestandteil von Erdgas entsteht, wenn Bakterien Algen verdauen. Methan ist ein sauberer und vielseitiger Kraftstoff, mit dem Strom erzeugt oder Fahrzeuge angetrieben werden können. Es ist eine weitere Biokraftstoffoption für Algen.

Algen leben tatsächlich von verschmutztem Wasser, was bedeutet, dass sie zur Abwasserbehandlung verwendet werden können. Algen wandeln Schadstoffe aus kommunalen, industriellen oder landwirtschaftlichen Abwässern in verwertbare Nebenprodukte wie Tierfutter oder Biomasse zur Umwandlung in Energie um. Algen sammeln auf natürliche Weise Schwermetalle zur Entfernung oder zum Recycling an.

Da Kohlendioxid, das Treibhausgas, das zum Klimawandel beiträgt, das Lieblingsnahrungsmittel der Algen ist, können die Pflanzen verwendet werden Kohlenstoffabscheidung. Sie wandeln das Gas viel schneller in organische Kohlenstoffverbindungen um als Landpflanzen. Ein Pfund (453,6 Gramm) Algen verbraucht 2 Pfund (907,2 Gramm) Kohlendioxid [Quelle: Edwards]. Füttere das Abgas eines Kohlekraftwerks in eine Masse von Algen und sie fressen es buchstäblich auf. Abgas kann zur dauerhaften Beseitigung aus der Atmosphäre gespeichert oder in Brennstoff umgewandelt werden, um den Einsatz fossiler Brennstoffe zu reduzieren.

Algen spielen weiterhin eine Rolle als menschliche Nahrung und Nahrungsergänzungsmittel. Die Menschen essen Algen in Salaten und Sushi und nehmen Ergänzungsmittel aus der Mikroalgen-Spirulina. Algen liefern komplettes Protein, Omega-3-Fettsäuren und Vitamine. Carageen wird aus rotem Seetang gewonnen, der als irisches Moos bekannt ist, und als Verdickungsmittel verwendet.

Algen werden auch als Futtermittel für Rinder und Meerestiere wie Garnelen und Schalentiere verwendet. Die nach der Algenverarbeitung verbleibende Biomasse kann manchmal als organischer Dünger auf landwirtschaftlichen Feldern ausgebracht werden. Algen finden auch in Kosmetika und Pharmazeutika nur geringe Verwendung.

Die Forschung zum Anbau, zur Ernte und zur Verarbeitung von Algen schreitet an vielen Fronten voran. Angesichts seines immensen Wertes besteht kein Zweifel daran, dass dieses einfache "Unkraut" eine wachsende Rolle in der Zukunft unserer Gesellschaft und Wirtschaft spielen wird.

Grünes Rohöl

Wenn es seltsam erscheint, sich vorzustellen, dass Ihr Auto mit Seetang fährt, denken Sie noch einmal darüber nach. Der Rohstoff, den wir heute in Benzin umwandeln, wurde über Millionen von Jahren aus Algenblüten gebildet, die sich auf dem Meeresboden niederließen und mit Sedimenten bedeckt waren. Hitze und Kompression verwandelten die winzigen Pflanzen in Rohöl. Promotoren von Kraftstoff auf Algenbasis bezeichnen ihn als "grünes Rohöl" [Quelle: Jha].

Bevor ich diesen Artikel recherchierte, wusste ich ehrlich gesagt nicht, dass Algen und Algen verschiedene Formen derselben kleinen grünen Pflanze sind. Ich bin erstaunt über das Potenzial von Algen in so viele Richtungen: Nahrung, Energie, Umweltschutz. Pilotprojekte scheinen überall aufzutauchen, von Algenexperimenten im Long Island Sound über Biodieselbemühungen in West Virginia bis hin zu einem Kohlenstoffabsorptionsprojekt in Oregon. Ich habe den Eindruck gewonnen, dass wir kurz vor einer Algenrevolution stehen könnten.

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Quellen

• Chemeurope.com. "Algakultur." (24. August 2012) http://www.chemeurope.com/de/encyclopedia/Algaculture.html
• Edwards, Mark. "Die winzige Pflanze, die unseren Planeten gerettet hat", Algae Industry Magazine. 24. April 2010. (24. August 2012) http://www.algaeindustrymagazine.com/part-one-the-tiny-plant-that-saved-our-planet/
• Edwards, Mark. "Was sind die Wettbewerbsvorteile von Algen?" Algenindustrie-Magazin. 26. Mai 2010. (24. August 2012) http://www.algaeindustrymagazine.com/what-are-algaes-competitive-advantages/
• Edwards, Mark. "Warum sind Algen der effizienteste Weg, Sonnenenergie für die Lebensmittel- und Energieerzeugung zu gewinnen?", Algae Industry Magazine. 29. September 2010. (24. August 2012) http://www.algaeindustrymagazine.com/algae-101-part-13-why-is-algae-the-most-efficient-way-to-capture-solar -Energie-für-Lebensmittel-und-Energie-Produktion /
• Fehrenbacher, Katie. "Solazymes Algenstrahlkraftstoff treibt den United-Flug an", Gigaom, 7. November 2011. (24. August 2012) http://gigaom.com/cleantech/solazymes-algae-jetfuel-powers-united-flight/
• Abteilung für Fischerei und Aquakultur, Vereinte Nationen. "Einführung in kommerzielle Algen." (24. August 2012) http://www.fao.org/docrep/006/y4765e/y4765e04.htm
• Guiry, Michael D. "Wie viele Algenarten gibt es?" Journal of Phycology, Juni 2012. (24. August 2012) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1529-8817.2012.01222.x/abstract
• Guiry, Michael D. "The Seaweed Site: Informationen zu Meeresalgen: Einführung." (24. August 2012) http://www.seaweed.ie/aquaculture/introduction.php
• Jha, Alok. "'Öl aus Algen' verspricht klimafreundlichen Kraftstoff", The Guardian, 31. Juli 2008. (24. August 2012) http://www.guardian.co.uk/environment/2008/jul/31/biofuels.travelandtransport
• Lienhard, John H. "Die Landwirtschaft erfinden", Motoren unseres Einfallsreichtums, Nr. 540. (24. August 2012) http://www.uh.edu/engines/epi540.htm
• Mehta, SK und Gaur, JP. "Verwendung von Algen zur Entfernung von Schwermetallionen aus Abwasser: Fortschritt und Perspektiven." Kritische Bewertungen in der Biotechnologie. Vol. 25, Nr. 3. S. 113-152. Juli-September 2005. (3. September 2012) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16294830
• oilgae.com. "Anbau von Algen." (24. August 2012) http://www.oilgae.com/algae/oil/biod/cult/cult.htmlhttp://www.oilgae.com/algae/oil/biod/cult/cult.html