Algoliner revolutioniert die Kultivierung von Mikroalgen mithilfe von PLEXIGLAS® Formmassen und einer mobilen Fabrik

• Unternehmen Algoliner entwickelt wegweisende Technologie für schnellen, kostengünstigen und ressourcenschonenden Bau von Photobioreaktoren
• Mit Rohren aus PLEXIGLAS® Formmassen aus einer mobilen Fabrik lässt sich der ökologische Fußabdruck von Algenreaktoren senken
• Lichtdurchlässigkeit des Marken-PMMA ermöglicht hocheffiziente Produktion nachhaltiger Biomasse

Ein Lastwagen fährt vor. Er hat eine mobile Fabrik an Bord, in der lange transparente Rohre aus einer PLEXIGLAS® Formmasse extrudiert werden. Auf Schienen laufen sie fertig zur Montage vom Laster herab, werden mit wenigen Handgriffen an Stützen befestigt – schon steht die Mikroalgen-Farm. Das deutsche Unternehmen Algoliner hat den Bau von Algenreaktoren mit diesem innovativen Verfahren und dem Marken-Polymethylmethacrylat (PMMA) von Röhm revolutioniert.

„Mit unserer mobilen Extrusionsanlage können wir geschlossene Photobioreaktoren sehr schnell, kostengünstig und ressourcenschonend an nahezu jedem Ort installieren“, sagt Hans Väth, Geschäftsführer von Algoliner. „Aus PLEXIGLAS® Formmasse produzieren wir Rohre in jeder gewünschten Länge. Das Material ist so leicht, dass selbst 100 Meter lange Rohre von einer einzigen Person positioniert werden können.“

Mikroalgen: Rohstoff für die Zukunft

Mikroalgen gelten als einer der wichtigsten Rohstoffe der Zukunft, denn die Kultivierung der schnell wachsenden Organismen erlaubt es, enorme Mengen Biomasse ohne Konkurrenz zu landwirtschaftlichen Flächen zu erzeugen. Die mikroskopisch kleinen Organismen benötigen lediglich Sonnenlicht, Kohlendioxid und geringe Mengen Wasser. Sie sind eine hochwertige Eiweißquelle für Nahrungsmittel und Tierfutter und enthalten Wirkstoffe für Pharmazie und Chemie. Außerdem ist es möglich, aus Algenbiomasse Energie oder Rohstoffe zur Herstellung von Biokunststoffen zu erzeugen. So leistet PLEXIGLAS® einen Beitrag zu klimafreundlichen Technologien.

Mobile Fabrik spart Ressourcen

Fasziniert von diesem enormen Potenzial, beschäftigt sich Väth schon sehr lange mit Mikroalgen. Nachdem er gängige Typen von Algenreaktoren analysiert hatte, stand für ihn fest: Es ist nachhaltiger, standardisierte Rohre aus Kunststoff in der benötigten Länge direkt vor Ort zu extrudieren, statt schwere Glasrohre in Transportkisten um die ganze Welt zu schicken und sie schließlich aufwendig zusammenzufügen. „Eine mobile Fabrik spart somit Energie, CO2 und natürlich auch personellen Aufwand.“

PLEXIGLAS® bietet viele Vorteile für Algenreaktoren

Nach einem geeigneten Kunststoff musste Väth nicht lange suchen. „Mein Gedanke war: Entweder funktioniert unser System mit PMMA – oder wir lassen es bleiben“, sagt der Diplom-Ingenieur für Kunststofftechnik und erläutert seine Gründe für die Materialwahl: „PLEXIGLAS® überzeugt mit seiner außerordentlichen Transparenz, die für das Algenwachstum entscheidend ist. Außerdem ist es ein nachhaltiger Werkstoff mit sehr langer Lebensdauer, der sich zudem am Ende der Nutzungszeit vollständig recyceln lässt.“

Weil Algoliner ein patentiertes Haltesystem entwickelt hat – die Rohre werden hängend zwischen Stützen befestigt und sind dafür mit einem speziellen Profil versehen –, ist es gelungen, die Wandstärke auf nur einen Millimeter und das Gewicht der Rohre auf 250 Gramm pro Meter zu reduzieren.

Bedenken von Skeptikern hinsichtlich der Wärmeausdehnung von PMMA und möglicher Rissbildung an den Flanschen konnten Väth und sein Team in Versuchen widerlegen. Die PLEXIGLAS® Rohrprofile erwiesen sich als gleichermaßen stabil und elastisch genug, um Unebenheiten und leichte Erschütterungen auszugleichen. „Sie lassen sich nahezu wie ein Schlauch bewegen“, beschreibt Väth. Aufgrund ihrer Form sind die Profile dort biegesteif, wo es nötig ist. So kommt die Anlage mit weniger Halteelementen aus als konventionelle Konstruktionen.

PLEXIGLAS® 7H speziell für Extrusion

Die Rohre werden aus der Formmasse PLEXIGLAS® 7H extrudiert und die Flansche aus PLEXIGLAS® 8N spritzgegossen. Beide Elemente werden mit ACRIFIX® von Röhm, einem speziellen Polymerisationsklebstoff auf Basis von MMA/PMMA, miteinander verklebt. „PLEXIGLAS® 7H bietet mit seiner sehr guten Schmelzeviskosität und Wärmeformbeständigkeit ein ausgewogenes Eigenschaftenprofil für die Extrusion von Rohren und technischen Profilen“, sagt Heinz Schubkegel, Senior Business Manager in der Business Unit Molding Compounds der Röhm GmbH. „Wie alle anderen transparenten PLEXIGLAS® Formmassen verfügt es über eine unübertroffene Lichtdurchlässigkeit von bis zu 92 Prozent. Und dank der sehr guten UV- und Witterungsbeständigkeit behält es auch im Freien seine Transparenz, ohne zu vergilben.“ Das ist eine ideale Voraussetzung für den großen Lichthunger der winzigen Algen und ermöglicht so ganz nebenbei auch eine sehr lange Nutzungsphase der Reaktoren.

Forschungsprojekt „smartPBR“

Allerdings gibt es nicht überall genügend Sonnenlicht. In manchen Regionen, etwa in Island mit seinen langen, dunklen Wintermonaten, reicht das natürliche Licht für ein gleichmäßiges Algenwachstum nicht aus. Aber auch überschießendes Algenwachstum ist ungünstig, denn je mehr Biomasse sich bildet, desto dichter und dunkler wird es innerhalb der Rohre. Daher hilft eine steuerbare, künstliche Beleuchtung, das Algenwachstum gezielt anzuregen oder zu verlangsamen.

Zusammen mit dem Fachgebiet Lichttechnik der Technischen Universität Darmstadt arbeitet Algoliner derzeit an einem KI-basierten Beleuchtungskonzept für Photobioreaktoren. Das Bundeswirtschaftsministerium fördert das Forschungsprojekt „smartPBR“ im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM). „Ein selbstlernendes System sorgt für das optimale Zusammenspiel aller Parameter, um elektrisches Licht als zusätzliche Lichtquelle einzusetzen“, erläutert Väth. „Zum Beispiel in Abhängigkeit vom Wetter oder wenn Strom gerade zu einem günstigen Tarif verfügbar ist.“

Das patentierte Hängeprofil von Algoliner erfüllt hier noch eine zweite Funktion: Es dient als Kanal für LED-Stränge. So lässt sich hocheffizient eine Beleuchtung ins System integrieren: Ein Drittel der Lichtstrahlen wird direkt nach unten in das Rohr gelenkt, und je ein Drittel beleuchtet die benachbarten Rohre mit. „Unsere Art der Lichtführung ist um 30 bis 50 Prozent effektiver als die sonst übliche seitliche Bestrahlung, die große Streuverluste hat“, sagt Väth. Die maximale Lichtdurchlässigkeit der PLEXIGLAS® Rohre trägt wesentlich zur Effizienz der Beleuchtung bei – und damit auch zu einem hohen Ertrag an Mikroalgen.

Nachhaltigen Rohstoff noch nachhaltiger produzieren

Das Unternehmen Algoliner hat den Anspruch, den ökologischen Fußabdruck von Photobioreaktoren durch geringen Energie- und Materialverbrauch sowie durch umweltfreundliche, recycelbare Materialien zu senken. „PLEXIGLAS® ist die nachhaltigste Lösung“, davon ist Väth überzeugt und arbeitet deshalb gerade daran, dies mit einer entsprechenden Life-Cycle-Analyse (LCA) zu belegen.

Weil sämtliche Komponenten des Algenreaktors aus PLEXIGLAS® Formmassen bestehen, könnte man sie am Ende des Lebenszyklus der Anlage gemeinsam zermahlen. Dieses Mahlgut kann dann entweder durch Rückspaltung in die Ausgangsstoffe oder auch direkt in thermoplastischen Verfahren vollständig wiederverwendet werden. „Das nachhaltige Produktdesign verbessert somit die Rezyklierbarkeit erheblich, da keine Fremdkunststoffe vor dem Recyclingprozess aufwendig aussortiert werden müssen“, sagt Sven Schröbel, Head of Global Sustainability Management in der Business Unit Molding Compounds der Röhm GmbH. Heute schon werden Produktionsabfälle aus der Rohrextrusion bei Algoliner durch thermoplastische Verfahren direkt zu Flanschen weiterverarbeitet und bleiben somit im Kreislauf. „Das Algoliner-Konzept ist ein sehr gutes Beispiel dafür, wie ein durchdachtes Produktdesign und die Auswahl langlebiger PLEXIGLAS® Materialien die Nachhaltigkeit des Endproduktes erheblich verbessern können – sustainable by design eben“, so Schröbel weiter.

Spezielle Flansche gewährleisten Hygiene

Diese Verbindungsstellen der Rohre sind bei herkömmlichen Bioreaktoren Problemzonen, weil sich in Schlitzen Ablagerungen bilden – ein Nährboden für Keime, die die Biomasse kontaminieren könnten. Algoliner ist es gelungen, aus PLEXIGLAS® Formmasse transparente Flansche herzustellen, deren Dichtung so verpresst wird, dass sie sich nach innen wölbt, damit keine toten Durchflussbereiche entstehen. Damit wird eine Verkeimung weitestgehend verhindert. Ein weiterer Vorteil für die Hygiene ist die völlig glatte Oberfläche von PMMA, die die Bildung von Biofilm in den Rohren erschwert. Dennoch ist bei Mikroalgen für die Lebensmittelproduktion eine kontinuierliche Reinigung der Anlage nötig. Dabei wandern die kugelförmigen Bürsten im Innern durch die Rohre, was diesen dank der hohen Oberflächenhärte und Kratzfestigkeit von PLEXIGLAS® nichts anhaben kann.

Mikroalgen sind Hoffnungsträger für die Landwirtschaft

Algoliner entwickelt die Technologie in mehreren Forschungsprojekten kontinuierlich weiter. „Uns erreichen Anfragen aus aller Welt“, sagt Geschäftsführer Väth. „Etwa aus Australien, wo Wassermangel die Landwirtschaft erschwert, und aus Indien, wo Interesse besteht, viel Biomasse auf wenig Raum zu produzieren. Und das Schweizer Landwirtschaftsministerium erforscht mit einem Algoliner-Reaktor die Möglichkeit, mit Mikroalgen als Futterzusatz den Methanausstoß der Rinderhaltung zu reduzieren.“ In den winzigen Organismen steckt ein großes Potenzial, einige der großen Herausforderungen der Zukunft zu meistern.