30. Dezember 2014

Neue LED-Technik erlaubt das präzise Studium der Produktivität von Algen

Weil Nahrungspflanzen auch für die Energiegewinnung genutzt werden, leiden Millionen Menschen Hunger. Algen könnten hier Abhilfe schaffen. Sie gedeihen auch in Salzwasser und auf unfruchtbaren Böden. Für ihr Wachstum benötigen sie Sonnenlicht. Doch das ist im Labor gar nicht so einfach herzustellen. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben nun zusammen mit dem Berliner LED-Hersteller FUTURELED eine Methodik entwickelt, mit der sie verschiedenste Lichtsituationen simulieren können.

Studentin Olga Shostak am LED-Biorekator [Bild:Andreas Heddergott/TUM]

Laborbank mit LED-Biorekatoren [Bild:Andreas Heddergott/TUM]

Nahaufnahme des LED-Bioreaktors [Bild:Andreas Heddergott/TUM]

50.000 Algen- und Cyanobakterienarten gibt es, so schätzen Wissenschaftler. Rund 5000 davon sind bisher bekannt. Doch nur zehn Arten haben es bisher bis zu einer kommerziellen Nutzung gebracht. Aber weil sie so anspruchslos sind und selbst in Salzwasser in Becken auf unfruchtbaren Böden gedeihen, könnten sie die Probleme lösen helfen, die die energetischen Nutzung von Nahrungspflanzen aufwirft.

„Algen wachsen sehr viel schneller als Soja oder Mais. Sie brauchen keine fruchtbaren Böden, keine Pestizide und könnten pro Hektar und Jahr einen zehn Mal höheren Ertrag bringen“, sagt Professor Dr. Thomas Brück, Leiter des Fachgebiets Industrielle Biokatalyse der TU München.

Bei der genaueren Untersuchung einzelner Algenarten entdeckten die Wissenschaftler bereits eine Vielzahl interessanter Produkte. Viele Algen können chemische Zwischenprodukte herstellen, Proteinmasse oder Fette aufbauen. Proteinmasse könnte als Viehfutter eingesetzt werden, aus den Fetten ließen sich Treibstoffe herstellen.

Produktivität züchten
Doch schon innerhalb einer Art sind die Fähigkeiten bestimmte Produkte herzustellen höchst unterschiedlich. „Bei unseren Untersuchungen sehen wir immer wieder große Produktivitätsunterschiede“, sagt Thoms Brück. „Wir müssen also nicht nur die richtigen Arten finden sondern auch die Kandidaten mit der höchsten Produktivität heran züchten“.

Für diese Arbeit haben die Forscher nun zusammen mit der Berliner Firma FUTURELED GmbH einen weltweit einmaligen Kombination von Licht- und Klimasimulation zur Optimierung der Algenzucht entwickelt, bei dem sie mit lichtfarbenabgestimmten LEDs das Sonnenlichtspektrum simulieren können.

Präzise Simulation – belastbare Voraussagen
„Niemand kann voraussagen, ob eine Alge aus der Südsee unter den Lichtbedingungen in Deutschland genauso produktiv ist wie in ihrer Heimat“, sagt Thomas Brück. „Genauso wenig weiß man, ob hier erfolgreiche Kandidaten unter den Lichtbedingungen der Sahara noch genauso erfolgreich wären. All dies können wir jetzt in unserem Labor testen“.

Die hoch effizienten LEDs liefern Licht im Wellenlängenbereich zwischen 400 und 800 Nanometern mit einer Strahlungsleistung von bis zu 1000 Watt pro Quadratmeter und einer dem Sonnenlicht sehr nahekommenden Intensitätsverteilung. Da die verschiedenen LED-Typen einzeln ansteuerbar sind, können die Wissenschaftler individuelle Spektren einstellen.

Überlegene LED-Technik
Weder mit Glühlampen noch mit Leuchtstoffröhren wäre eine solche Anlage realisierbar gewesen. Glühlampen produzieren zu viel Wärme, und mit Leuchtstoffröhren ließe sich nicht das gesamte Spektrum des Sonnenlichts in der gewünschten Intensität erzeugen. Bei beiden Varianten wäre eine Ansteuerung einzelner Wellenlängen unmöglich.

Die spektrale Bandbreite der LEDs wurde darüber hinaus speziell auf molekulare Schalter von Algen abgestimmt, die für die Steuerung des Pflanzenwachstums wesentlich sind. Werden diese Anteile des Spektrums nicht korrekt reproduziert, kann dies die Ergebnisse erheblich verfälschen.

Eingebettet ist das Projekt in die Aktivitäten des Fachgebiets für Industrielle Biokatalyse im Rahmen des Forschungsprojekts Algenflugkraft. Weitere Partner des Projekts sind die Lehrstühle für Technische Chemie II (katalytische Konversion der Biomasse) und für Bioverfahrenstechnik (technische Skalierung der Kultivierung) der TUM, die Clariant AG (Algenaufarbeitung, Fettseparation) und die conys GmbH (Wasserstoff- / Biogasproduktion). Derzeit entsteht südlich von München, auf dem Ludwig Bölkow Campus (LBC) in Ottobrunn, ein Technikum zur Erforschung der Algenkultur in großem Maßstab. Der Freistaat Bayern und die Airbus Group fördern das Projekt mit 12 Millionen Euro.