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Normalerweise befinden sich die wertvollen Kohlenwasserstoffe innerhalb der Mikroalgenzellen. Daher erfordert ihre Gewinnung bei klassischen Verfahren eine aufwendige Prozesskette – von der Ernte über die Trocknung bis hin zum Zellaufschluss. Dieser Aufwand treibt die Kosten erheblich in die Höhe, was besonders problematisch ist, da man mit den Preisen von Erdöl konkurrieren muss. Dass die Mikroalge Botryococcus braunii diese Kohlenwasserstoffe während des Wachstums von selbst abgibt, war bereits bekannt. Ich selbst kam erstmals während meiner Masterarbeit mit diesem Phänomen in Kontakt, die ich am Kompetenzzentrum Algenbiotechnologie (CAB) der Hochschule Anhalt unter Leitung von Prof. Dr. Carola Griehl angefertigt habe. Die zentrale Frage war dann: Wie lässt sich dieser Prozess so nutzen, dass die Kohlenwasserstoffe bereits während der Kultivierung extrahiert werden, ohne die Alge zu schädigen?

Wir haben ein Kultivierungssystem entwickelt, in dem die Kultursuspension während des Wachstums direkt durch eine Extraktionssäule geleitet wird, die ein Lösungsmittel enthält. Dieses Lösungsmittel nimmt die Kohlenwasserstoffe auf, während die extrahierte Kultur in das System zurückgeführt wird. Eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung war, dass das Lösungsmittel für die Algen grundsätzlich schädlich ist. Die Algen müssen jedoch am Leben bleiben und weiterhin Kohlenwasserstoffe produzieren, die erneut extrahiert werden können. Das inzwischen patentierte Verfahren haben wir als „in situ-Extraktion“ bezeichnet.

Dank einer Förderung der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft konnten wir das in situ-Extraktionsverfahren ab 2020 weiterentwickeln. Ziel war die Skalierung vom Labormaßstab in den technischen Maßstab. Konkret haben wir das Verfahren von Blasensäulen mit 3 Litern Volumen über 6-Liter-Flatpanel-Reaktoren auf 28-Liter-Flatpanel-Reaktoren übertragen. Mit der Vergrößerung des Kultivierungssystems musste auch die Extraktion der Kohlenwasserstoffe angepasst werden. Dazu gehörte die grundlegende Frage, welche Stämme der Mikroalge Botryococcus braunii überhaupt geeignet sind, da sie weltweit in unterschiedlichen Klimazonen mit variierenden Temperatur- und Nährstoffanforderungen vorkommt. Die Auswahl des passenden Stammes war die erste Herausforderung, gefolgt von der Übertragung in ein neues Kultivierungssystem mit veränderten Licht- und Wachstumsbedingungen, was eine erneute, Anpassung der Extraktionsmethoden erforderte. Ein weiterer wichtiger Aspekt des Projekts war die Methodenentwicklung zur Analyse der extrahierten Kohlenwasserstoffe. Die Erdöl-ähnlichen Algen-Öle enthalten eine Mischung unterschiedlich langer Kohlenwasserstoffe, die von der Industrie in gleichbleibender Reinheit benötigt werden. Derzeit arbeiten wir an der Veröffentlichung der Ergebnisse.

28 Liter Algen-Biomasse und 5 bis 10 Milliliter Algen-Öl können die Köthener Algenbiotechnolog:innen aktuell produzieren. Bis dahin war es bereits ein weiter Weg. Mit Hilfe des DATIpilot-Programms soll das Verfahren im nächsten Schritt vom technischen in den Pilotmaßstab überführt werden. Kooperationspartner aus der Feinchemie und die Stickstoffwerke Piesteritz sind bereits interessiert. Das Foto entstand anlässlich der Förderbescheidübergabe zum "AlgaHub" – einem neuen Algen-Netzwerk für Mitteldeutschland. 

Im Vergleich zum klassischen Verfahren der Gewinnung intrazellulärer Algen-Öle ist unser in situ-Extraktionsverfahren zur Gewinnung von extrazellulären Kohlenwasserstoffen aus Mikroalgen deutlich kostengünstiger – genau das war unser Ziel. Dennoch sind die Kultivierungskosten je nach Standort noch immer zu hoch, um mit fossilen Rohstoffen wie Erdöl konkurrieren zu können. Ihre Senkung ist machbar, erfordert aber weitere Entwicklungsarbeit. Zudem braucht es den politischen Willen, nachhaltige Rohstoffquellen gezielt zu fördern.

Grundsätzlich können die Kohlenwasserstoffe in allen Bereichen eingesetzt werden, die derzeit auf Erdöl angewiesen sind. Unser Fokus liegt jedoch weniger auf der Kraftstoffproduktion, sondern eher auf der Nutzung in der Feinchemie. Derzeit stehen wir in Kooperation mit den Stickstoffwerken Piesteritz, die die Algen-Kohlenwasserstoffe zur Beschichtung von Düngemitteln einsetzen wollen. Auch das Center für the Transformation of Chemistry (CTC) zeigt großes Interesse daran, diese Kohlenwasserstoffe in biobasierten Kunststoffen zu verwenden, um auf Erdöl verzichten zu können.

Für erste Tests benötigen die Unternehmen deutlich größere Mengen, als wir derzeit produzieren können. Zum Vergleich: Mit unserem Verfahren gewinnen wir aktuell 5 bis 10 Milliliter, während für industrielle Tests rund 50 Liter erforderlich sind. Deshalb arbeiten wir seit Ende letzten Jahres im DATIpilot-Programm daran, unser Verfahren vom technischen in den Pilotmaßstab zu überführen – das bedeutet, die Kultivierung von 28 auf 180 Liter zu skalieren und die Extraktion der Kohlenwasserstoffe entsprechend anzupassen. So können wir täglich 100 Milliliter Öl gewinnen und gleichzeitig die Produktionskosten weiter senken. Die industrielle Umsetzung schreitet damit voran, hängt aber noch stark von Eigeninitiative und Förderprogrammen ab, da viele Unternehmen erst dann als Entwicklungspartner einsteigen, wenn die Produktionsverfahren industrielle Maßstäbe erreichen.

Verlässliche Daten sind entscheidend, um Vertrauen in die Nutzung nachhaltiger Rohstoffe wie Mikroalgen zu schaffen. Erkenntnisse aus dem Labor müssen in die Industrie übertragbar sein, sonst finden sie keine Anwendung. Ich habe meinen Bachelor und Master in der Biotechnologie absolviert und mich in meiner Promotion stärker auf biologische Fragestellungen spezialisiert. Biotechnologinnen und Biotechnologen sind grundsätzlich in beiden Bereichen gut aufgestellt, doch ab einem gewissen Punkt braucht es Spezialisten. Ein Vorteil der Hochschule Anhalt ist, dass die Ausbildung ingenieurwissenschaftlich geprägt ist und Studierende sich gezielt für eine molekularbiologische oder verfahrenstechnische Ausrichtung entscheiden können.

Dr. Christian Kleinert stellt seine Forschung und ein Modell des aktuellen Bioreaktors vom 31. März bis 4. April auch auf der Hannover Messe vor. Hier präsentiert sich die Hochschule Anhalt gemeinsam mit der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, der Hochschule Magdeburg-Stendal und der Hochschule Harz sowie den Thüringer Hochschulen und Universitäten auf dem Gemeinschaftsstand FORSCHUNG FÜR DIE ZUKUNFT in Halle 2/ Stand C16.

Das Kompetenzzentrum Algenbiotechnologie (CAB) an der Hochschule Anhalt erforscht seit über 20 Jahren, wie Mikroalgen biotechnologisch genutzt werden können. Das Team um Prof. Dr. Carola Griehl verfügt über umfassende Erfahrung – von der Auswahl und Kultivierung der Algen bis zur Gewinnung und Analyse wertvoller Inhaltsstoffe. Die Erkenntnisse sind Basis zahlreicher Projekte zur Anwendung von Mikroalgen in der Lebensmittelindustrie, Pharmazie oder als Erdöl-Ersatz. Eine Sammlung mit mehr als 300 Algenstämmen aus Süßwasser und terrestrischen Lebensräumen dient als Grundlage für die Forschung. Das speziell eingerichtete Technikum ermöglicht es, Laborverfahren in industrielle Prozesse zu überführen. Zu den Meilensteinen gehörten unter anderem die Inbetriebnahme einer modularen Mikroalgen-Pilotanlage in Kooperation mit der GICON GmbH im Jahr (2011); die Auszeichnung der Forschungsgruppe mit dem Hugo-Junkers-Preis (2013); die Eröffnung des Zentrums für Naturstoff-basierte Therapeutika ZNT (2021) sowie der Start zum Aufbau des Akteurs-Netzwerks aus Unternehmen und Forschungsgruppen "AlgaHub" 2025. Darüber hinaus engagiert sich die Forschungsgruppe Algenbiotechnologie mit dem "Algenstammtisch" für die Verbreitung ihrer Forschung und Vernetzung mit regionalen Partnern. Mehr dazu und direkte Kontaktmöglichkeiten zum Team stehen auf diesen Websites: https://www.hs-anhalt.de/hochschule-anhalt/angewandte-biowissenschaften-und-prozesstechnik/forschung/forschungsgruppen/kompetenzzentrum-algenbiotechnologie/ag-prof-dr-carola-griehl-algenbiotechnologie-in-koethen.html

...hat an der Hochschule Anhalt Biotechnologie im Bachelor (2008 bis 2011) und Master (2011 bis 2014) studiert. Während seiner Promotion lag sein Schwerpunkt im Bereich Biologie (2017 bis 2022). Seit 2012 begleitet er die Forschungsprojekte der Algenbiotechnologie an der Hochschule Anhalt mit den Aufgaben Projektkoordination, Kultivierung von Mikroalgen und Cyanobakterien im Labor- und Technikumsmaßstab, Up- und Downstream-Verarbeitung, Produktcharakterisierung (Lipide, Kohlenwasserstoffe, Proteine, Phycobiline, Biogas). Seit 2018 leitet er die Pilotanlage zur Kultivierung von Mikroalgen im technischen Maßstab inklusive Verarbeitung der Mikroalgen sowie Wartung der Photobioreaktoren.