Zal de Duitse landbouw in de toekomst afhankelijk zijn van microalgen?
In ieder geval kunnen de eencellige waterplanten worden gebruikt om tal van waardevolle stoffen te produceren – dus ze hebben een groot potentieel als hernieuwbare grondstof en biomassabron voor de bio-economie. In het gezamenlijke project “FuTuReS” onderzochten onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB, de Universiteit van Hohenheim in Stuttgart en het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) onder welke voorwaarden en voor welke doeleinden algenkweek de moeite waard is. Na twee jaar van het project trekt het onderzoeksteam een positieve balans op: de sleutel ligt in de juiste selectie van recyclebare materialen en het gebruik van kunstlicht.
Microalgen zijn zuinig en productief tegelijk: ze hebben alleen licht, kooldioxide (CO2) en een paar voedingsstoffen nodig – en ze gaan waardevolle stoffen produceren. Afhankelijk van de specifieke algensoort kunnen de protozoa kleurstoffen, omega-3-vetzuren of eiwitten produceren die geschikt zijn voor gebruik in bijvoorbeeld de voedings- of cosmetica-industrie. Daarnaast zijn ze ook een ideale bron van biomassa, die kan worden ingezet als hoogwaardig diervoeder. Algenkweek zou dus potentieel veelbelovende bedrijventerreinen voor boeren kunnen openen.
Om dit potentieel voor de landbouw aan te boren, heeft het door het Bondsministerie van Voedsel en Landbouw (BMEL) gefinancierde gezamenlijke project “FuTuReS” zich beziggehouden met de vraag hoe de algenkweek concreet moet worden ontworpen zodat het economisch de moeite waard is en tegelijkertijd ecologisch verantwoord. Tegelijkertijd onderzocht het project de interesses en verwachtingen van praktijkmensen en technologieontwikkelaars in de landbouw en de voedingssector. Als resultaat van dit participatieve proces ontwikkelde FuTuReS concrete scenario’s en aanbevelingen voor actie over hoe microalgen in de toekomst kunnen worden geïntegreerd in landbouwproductiecycli.
Procesgegevens van de productie van microalgen en extractie van hulpbronnen
Voor het project heeft het Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB voor het eerst verschillende teeltscenario’s op pilotschaal doorlopen: Algenteelt in fotobioreactoren enerzijds in zonlicht in openluchtsystemen of kassen en anderzijds met kunstmatige verlichting in gesloten binnensystemen. De onderzoekers gebruikten de eencellige diatomeeën Phaeodactylum tricornutum, die ook onder de omstandigheden van het Midden-Europese klimaat goed te kweken zijn. De onderzoeken richtten zich op de productie van de kleurstof fucoxanthine, eicosapentaeenzuur (een omega-3 vetzuur, kortweg EPA) en eiwitten, en op de toegevoegde waarde die hiermee wordt gegenereerd.
“Om de economische efficiëntie van de algenkweek te vergroten, hebben we in FuTuReS ook achtereenvolgens de verschillende waardevolle stoffen uit dezelfde biomassa gewonnen volgens het principe van een bioraffinaderij”, legt Dr. Ulrike Schmid-Staiger, projectcoördinator bij de Fraunhofer IGB en hoofd van de onderzoeksgroep voor algenbiotechnologie van het instituut. Kleurstoffen, vetzuren, eiwitten en koolhydraten kunnen als afzonderlijke fracties worden verkregen.
Hogere biomassaopbrengst dankzij continue kunstverlichting
In de volgende stap werden de gegenereerde procesgegevens geëvalueerd aan de Universiteit van Hohenheim. Uit de beoordelingen bleek dat het continu verlichten met kunstlicht van energiezuinige LED-lampen voordelen heeft ten opzichte van het (natuurlijk niet continu) gebruik van zonlicht of daglicht bij buitenbedrijf. Dankzij de ononderbroken lichtvoorziening dag en nacht, werd de geproduceerde microalgenbiomassa verhoogd van 14 naar 123 ton per hectare en werden tegelijkertijd de kosten voor de productie van één kilogram biomassa aanzienlijk verlaagd – met maar liefst 70 procent. Hoewel de elektriciteitsbehoefte iets meer dan de helft hoger is (54 procent), is er beduidend minder water en ruimte nodig (respectievelijk 80 en 86 procent). “De hogere biomassaopbrengst compenseert de hogere kosten van kunstlicht”, is de positieve conclusie van Sebastian Weickert, onderzoeksmedewerker bij de afdeling “Renewable Resources in Bioeconomy” van de Universiteit van Hohenheim.
Met het oog op de opbrengst van de geproduceerde recyclebare materialen ontstaat echter een gedifferentieerd beeld: “Onze onderzoeken met het oog op fucoxanthine en EPA waren succesvol – met deze dure producten kunnen we zien dat de productie-inspanning economisch loont”, zegt Schmid-Staiger. De extractie van eiwitten daarbuiten verhoogt de winstgevendheid echter niet meer, aangezien eiwitten momenteel wereldwijd tegen zeer redelijke prijzen verkrijgbaar zijn. “Je hebt geen landbouwgrond nodig om de biomassa met kunstlicht te produceren, of je kunt verlaten landbouwinfrastructuur gebruiken, b.v. B. lege stallen. Dit en de hoge opbrengsten aan waardevolle stoffen maken de algenkweek een potentieel waardevolle business – het hangt ervan af welke producten je wilt produceren en voor welke industrie ze bedoeld zijn”, vat Weickert samen.
Naast de wetenschappelijke resultaten levert het project nog een belangrijk resultaat op: boerderijen staan in principe open voor algenkweek, maar wijzen op behoefte aan verder onderzoek en financiering. “Onder gunstige omstandigheden zou de teelt van microalgen voor sommige actoren in de landbouw een nieuwe business area kunnen worden om regionaal hoogwaardige producten te produceren – het potentieel is er zeker. Ons onderzoekswerk heeft dat duidelijk aangetoond”, vat Dr. Christine Rösch, hoofd van de onderzoeksgroep “Sustainable Bioeconomy” van het Institute for Technology Assessment and Systems Analysis (ITAS) van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT).
Ze beveelt een consequente verdere ontwikkeling van de microalgentechnologie aan, met name op het gebied van controle en automatisering, evenals het stimuleren van investeringen en coöperatieve samenwerking. “In het FuTuReS-project hebben we vanaf het begin veel belang gehecht aan het praten met de stakeholders en hen te betrekken bij het onderzoek”, legt de wetenschapper uit. Op deze manier kon direct rekening worden gehouden met hun ervaringen, kennis, verwachtingen en angsten. Hierdoor heeft het projectteam criteria en scenario’s kunnen ontwikkelen die niet alleen gebaseerd zijn op de kennis en visies van de betrokken onderzoekers, maar dichter bij de ideeën van potentiële gebruikers van algentechnologie staan.