DECHEMAX Initiative für Chemische Technik und Biotechnologie

Frage der Woche

Frage der Woche

Mikroalgen – mehr als „grüne Brühe“

Algen
Mikroalgen in beleuchteten Kultivierungsröhren im temperierenden Wasserbad
Quelle: Universität Kiel, Institut für Botanik

Eine Idee hinter der Bioökonomie ist es, anstelle von fossilen Rohstoffen (wie Erdöl, Kohle und Erdgas) nachwachsende Rohstoffe für die Herstellung von Wirtschaftsgütern zu nutzen. Wenn zum Anbau von so genannten Energie- und Industrie-Pflanzen aber Ackerflächen verwendet werden, können dort keine Nahrungsmittel mehr produziert werden. Ihr kennt diese Problematik ja schon aus der vorhergehenden Frage. Diese „Teller-Tank-Konflikt“ genannte Nutzungskonkurrenz kann mit Mikroalgen umgangen werden: Mikroalgen werden in der Regel in offenen Becken oder in Photobioreaktoren kultiviert und sind deshalb nicht auf landwirtschaftlich nutzbare Böden angewiesen. Weitere Vorteile gegenüber dem Anbau höherer Pflanzen sind z.B. ein vielfach höherer Ertrag pro Fläche und Jahr, ein verminderter Wasser- und Nährstoffbedarf durch geschlossene Systeme und die Möglichkeit, Algen über den ganzen Vegetationszeitraum hinweg zu ernten. Über die Nachteile redet man nicht so gerne: Durch Pumpen von Wasser und Gasen, Heizen und Kühlen, Ernten und Trocknen wird viel Strom verbraucht, auch müssen häufig technisch aufwändige Reaktoren, Leitungen und Apparate installiert werden. Deshalb ist die Produktion von Algen heute noch deutlich teurer als die Produktion von Nutzpflanzen. Aus diesem Grunde finden sich Algenprodukte eher in hochpreisigen Märkten.

Frage (Klassenstufen 7-11)

Produktionssysteme für Mikroalgen:

In Deutschland steht Europas derzeit größte Algenkultivierungsanlage. Wo genau?

Lösung:

in Klötze, Sachsen-Anhalt

Wie lang ist das Glasröhrensystem in dieser Anlage?

Lösung:

500 Kilometer

Welche Algenart wird hier hauptsächlich produziert?

Lösung:

Die Mikroalge Chlorella vulgaris

und wofür?

Lösung:

hauptsächlich als Nahrungsergänzungsmittel (als Futtermittel, für Kosmetika)

Zusatzfrage (Klassestufen 9-11)

Bioökonomie durch Mikroalgen:
Mikroalgen in Nahrungsmitteln:
Was haben Mikroalgen mit Gummibärchen zu tun? Es gibt sogar zwei Verbindungen...

Nennt eine davon:

Lösung:

Aus Algen werden Verdickungsmittel (z.B. Agar Agar, Carrageen) gewonnen, die zur Gummibärchenproduktion eingesetzt werden.
Sie sind Farbstofflieferant für blaue Gummibärchen. Die Algenart Spirulina produziert den Farbstoff Phycobilin.

Mikroalgen in der Medizin:
Sie sollen helfen, die Sehkraft zu erhalten. Lutein und Zeaxanthin werden auch aus Algen gewonnen und sollen der altersabhängigen Makula-Degeneration (AMD) vorbeugen.

Zu welcher chemischen Klasse zählen diese Stoffe?

Kohlenhydrate
Carotinoide
Anthocyane

Lösung:

Richtig sind die Carotinoide

Mikroalgen in der Tierzucht:
Fisch gilt als gesund, nicht nur weil er eine bestimmte Art von Fettsäuren besitzt. Der Fisch produziert diese Fettsäuren, die Bestandteile von Ölen sind, aber nicht selbst. Sie gelangen über die Nahrungskette über mehrere Schritte in den Fisch. Die eigentlichen Produzenten der Fettsäuren sind Algen. Da die Nahrungskette in der Fischzucht kaum einzuhalten ist, werden die Zuchtfische in Aquakulturen mit wild gefangenen Fischen gefüttert. Klingt ganz schön schräg, oder? Jährlich werden etwa 16 mio t Fisch (in der Regel Beifang) zu Fischmehl und Fischöl als Futter für Aquakulturen verarbeitet. (Quelle transkript)
Hier können Mikroalgen helfen, die Überfischung der Meere zu mindern: Sie werden gezüchtet und die aus ihnen gewonnenen Algenöle werden anstelle von Fischöl in Futtermittel für die Fischzucht eingearbeitet.

Von welchen Fettsäuren ist hier die Rede?

Lösung:

omega-3-Fettsäuren

Der Name dieser Fettsäuren leitet sich von ihrer Struktur her. Nachfolgend seht ihr drei verschiedene Fettsäure-Moleküle.
Akku-Schema

Welches ist eine dieser wertvollen „Fisch-Fettsäuren?

A
B
C

Lösung:

Richtig ist Fettsäure "B". Man zählt vom hinteren Ende (omega) des Moleküls die Fettsäuren. Die erste Doppelbindung ist dann am 3. C-Atom.

Mikroalgen nicht nur für Vampire:

Wie heißt der Stoff, der „Blutschnee“ und Anti-Aging-Cremes verbindet?
(Tipp: nebenbei gibt der Stoff auch Krebsen die Farbe, die beim Kochen zum Vorschein kommt)

Lösung:

Astaxanthin

Zusatzfrage (Klassestufen 10-11)

Klimawandel verhindern mit Mikroalgen
Immer wieder werden Mikroalgen als nachhaltige Quelle für Biokraftstoffe ins Spiel gebracht. Durch die schon erwähnten deutlich höheren Flächenerträge von Mikroalgen gegenüber Landpflanzen scheint es, als könnte der enorme Flächenbedarf für eine Biokraftstoffproduktion umgangen werden. Alleine in Deutschland wurden 2018 durch die Beimischung zu Ottokraftstoffen 1,2 Millionen Tonnen Ethanol verbraucht. Aber die Ackerfläche für den Anbau des dafür notwendigen Getreides reicht derzeit nur etwa für die Hälfte (0,66 Millionen Tonnen Ethanol).
Algenol ist ein Unternehmen aus den USA, das vor ein paar Jahren mit einem unkonventionellen Verfahren zur Produktion von Ethanol mithilfe von Blaualgen (Cyanobakterien) auf sich aufmerksam gemacht haben. Damals hatte sich das Unternehmen ganz auf die Produktion des Biokraftstoffes konzentriert. Heute nutzen sie ihre Technologie ganzheitlich: Im Sinne der Bioökonomie verwerten sie die gewonnene Algen-Biomasse überwiegend stofflich zu hochwertigen Produkten. Biokraftstoffe spielen nur noch eine Nebenrolle, wie ein Blick auf die Webseite des Unternehmens verrät. Trotzdem ist die Geschichte von Bioethanol mit Cyanobakterien so spannend, dass es sich lohnt, ein wenig tiefer zu graben.

Wie heißt das Verfahren, unter dem Algenol die Ethanolproduktion vermarktet hat?

Lösung:

direct to ethanol

Für die Gewinnung von Biokraftstoffen wird unter anderem Weizen angebaut. Aus dem Weizen, den man pro Jahr von einem Hektar ernten kann, erhält man etwa 2.500 Liter Ethanol durch Vergärung der (hydrolysierten) Stärke.

Welche Menge Ethanol (in Liter) versprach Algenol, mit seinem Verfahren auf einer Fläche von einem Hektar Land produzieren zu können?

Lösung:

8.000 gallons/acre, das sind etwa 77.400 L/ha

Die wieviel-fache Menge im Vergleich zum Weizen-Ethanol ist das?

Lösung:

Das ist etwa die 30-fache Menge. (immer vorausgesetzt, dass ihr mit amerikanischen Gallonen gerechnet habt)

Warum ist es aus biologischer Sicht eigentlich ein Widerspruch, Ethanol mit Algen zu produzieren? Wählt die richtige Antwort aus:

Ein Gärungsstoffwechsel in Gegenwart von Sauerstoff ist energetisch nicht sinnvoll. Die Alge kann nicht mehr wachsen.
Die Photosynthese wird durch Ethanol gehemmt und die Alge kann keinen Zucker mehr produzieren.
Ethanol verändert die Zusammensetzung der Zellwand – die Alge droht zu platzen (Osmose).

Lösung:

Richtig ist
Ein Gärungsstoffwechsel in Gegenwart von Sauerstoff ist energetisch nicht sinnvoll. Die Alge kann nicht mehr wachsen.

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