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Laborvorstellung

06/15/15

Von der Zelle zum Produkt: Das Innovationslabor Algenbiotechnologie an der Hochschule Anhalt in Köthen

Prof. Carola Griehl und Doktorand Stefan Matthes vor den sogenannten Tannenbaum-Reaktoren zur Produktion von Algen-Biomasse. Bilder (2): C. Griehl, M. Salisch.

Sofort meint man, dass Algen freundliche Wesen sein müssen, denn ihre leuchtenden Grün-Blau- und Orange-Rottöne geben dem Labor für Algenbiotechnologie eine sehr farbenfrohe Stimmung. Wir sind im Fachbereich Biowissenschaften und Prozesstechnik der Hochschule Anhalt Köthen, im Reich von Prof. Carola Griehl. Das Labor für Algenbiotechnologie wurde im Jahr 2001 von ihr gegründet. Es hat einen herausragenden Ruf in der internationalen Algenforschung und bildet in Sachsen-Anhalt einen wichtigen Schwerpunkt der angewandten Forschung.

Wichtiger Grundstoff für Arzneien, Lebensmittel und Kosmetika

Auf die Frage nach den freundlichen Farben lächelt Prof. Griehl zustimmend: „Algen bilden neben dem grünlichen Chlorophyll auch andere Photosynthesepigmente, wie Carotinoide, die vor allem die orangenen bis roten Farbtöne hervorrufen.“ Diese Inhaltsstoffe sind nicht nur schön, sondern auch sehr nützlich, weil sie als natürliche Antioxidantien den menschlichen Körper bei der Abwehr von freien Radikalen unterstützen. Freie Sauerstoffradikale werden in den meisten Zellen als Nebenprodukte des aeroben Zellstoffwechsels gebildet. Es handelt sich hierbei um sehr reaktionsfähige Verbindungen mit ungepaarten Elektronen, die Biomoleküle attackieren und schädigen können. Deshalb gelten sie als Ursache vieler Krankheiten – von Hautalterung bis Krebs. Algen sind demnach ein wichtiger Grundstoff für Arzneien, Lebensmittel und Kosmetika. Aber längst nicht nur dies, denn Algen gelten als Rohstoffe der Zukunft, da sie  wichtige Kandidaten für alternative Treibstoffe, Erdölersatz oder hochwertige Tierfutter sind.

Erst ein Teil der 500.000 Arten sind erforscht

„Ich bin umgeben von Algen. Ich esse Algen, ich creme mich mit Algen ein und ich verbringe viel Zeit mit ihnen.“ Carola Griehl strahlt eine ansteckende Begeisterung für ihren Forschungsgegenstand aus, die zugleich rational sehr stichhaltig ist. „Letztlich haben Algen unser menschliches Leben erst möglich gemacht, indem sie im Laufe der Erdgeschichte die Sauerstoffatmosphäre unseres Planeten aufgebaut haben. Sie vertilgen klimaschädliches Kohlendioxid und machen aus den geringsten Zutaten mit Hilfe von Sonnenlicht die tollsten Sachen“, fasst Prof. Griehl die Eigenschaften dieser Organismen zusammen, deren Potentiale längst nicht erschöpfend ausgelotet sind. Denn von über  500.000 geschätzten Arten sind bislang rund 4.0000 klassifiziert und nur wenige davon werden  wirtschaftlich genutzt. An dieser Situation setzt das Konzept des Innovationslabors an, das Algen buchstäblich von der Zelle zum vermarktungsfähigen Produkt erforscht und entwickelt. 

 Finden, Sammeln, Untersuchen

Im ersten Schritt dieser Anordnung werden die Algen kultiviert und gesammelt. Grundlage dafür sind wenige Arten aus anderen Algensammlungen und überwiegend Proben, die Labor-Mitarbeiter Mario Salisch auch schon mal von seinen Urlaubsreisen mitbringt oder gezielt der Natur entnimmt. In Petrischalen vereinzelt der Wissenschaftler die Organismen und vermehrt sie, bis sie unialgal und axenisch, also als singuläre Algenart vorliegen und frei von Kontaminationen sind.  Mit rund 70 Arten aus anderen Stammlungen und rund 250 eigenen Isolationen ist dies die einzige Stammsammlung in Mitteldeutschland. „Andere Labore arbeiten mit bekannten Arten und Sammlungen“, erklärt Mario Salisch das hiesige Vorgehen, „aber wenn wir Neues entdecken wollen, dann müssen wir uns auf die Suche begeben.“ Erste Untersuchungen unternimmt er dann in kleinen Kulturen im Schüttelkolben.

Bringt Algen-Proben auch schon mal aus dem Urlaub mit: Wissenschaftler Mario Salisch.
Wieviel Licht braucht die Alge?

Wieviel Licht braucht die Alge, wie viele Nährstoffe und wie reagiert sie auf physikalische Einflüsse wie Bewegungen des Wassers? Diese und andere Fragen werden in weiteren Untersuchungen unter reproduzierbaren Bedingungen in größeren Blasensäulen unternommen. Hier werden Auswirkungen von Umwelteinflüssen, die Ausbeute an Biomasse oder auch die Geschwindigkeit des Algenwachstums genau festgestellt. Diese Eigenschaften lassen Schlüsse zu, wie bioreaktorfähig diese Algenarten sind, ob sie also in technologischen Verfahren gezüchtet und für spätere Produkte zugänglich gemacht werden können. Denn von den bekannten Algen werden bislang nur 10 bis 15 Arten in technischem Maßstab kultiviert und vermarktet. An diese Untersuchungen knüpfen viele einzelne Forschungsthemen und -kooperationen an, die Inhaltsstoffe und Wirkweisen einzelner Algen in den Blick nehmen. Aktuell sind dies etwa Forschungen zur Alzheimer-Prävention, die 2013 mit dem Hugo-Junkers-Preis als „Innovativstes Vorhaben der Grundlagenforschung“ ausgezeichnet wurden.  

Kontinuierliche Produktion von Algen-Biomasse

Die mittelgroßen Versuchsanordnungen in Blasensäulen werden im nächsten Schritt in einen viel größeren Maßstab umgesetzt und fortgeführt. Denn eine industrielle Nutzung von Algen ist bislang noch sehr anfällig gegen äußere Störfaktoren wie Temperaturschwankungen oder Lichtveränderungen. Deshalb kann sich die Algenproduktion in großem Maßstab erst durchsetzen, wenn die Prozesse effektiv und produktiv gestaltet werden können. Das Verfahren zur Biomasse-Gewinnung entwickelte das Team von Carola Griehl in einem langjährigen Kooperationsprojekt mit der Dresdner Firma GICON, die einen neuen Reaktortyp patentiert haben. In der Kategorie „Innovativste Allianz“ wurden die Forschungsarbeiten hierzu ebenfalls 2013 mit dem Hugo-Junkers-Preis für Forschung und Innovation aus Sachsen-Anhalt ausgezeichnet. Aktuell beschäftigt sich vor allem Stefan Matthes in seiner Doktorarbeit mit der weiteren Prozessentwicklung. 

Erfolge mit Versuchsanordnungen im Innovationslabor

Die sogenannten Tannenbaum-Reaktoren erinnern ein wenig an übergroße Räuberhüte aus gewickelten Schläuchen. „Die Tannenbaumform ist der Natur entnommen. So können wir eine sehr gleichmäßige Sonneneinstrahlung sichern“, erklärt Stefan Matthes. Außerdem werden über getrennte Kühl- und Heizkreisläufe Temperaturschwankungen aufgefangen. Carola Griehl und  Stefan Matthes können einen Rekord melden, denn seit einem Jahr produzieren diese Reaktoren ununterbrochen Biomasse. „Das ist in unseren gemäßigten Breitengraden einzigartig“, freuen sich die beiden Wissenschaftler.

Ernährungs- und Rohstoffquelle für Mensch und Tier

Auf die Frage, welchen Beitrag sie in den Förderungen des KAT sieht, sagt Carola Griehl spontan: „Ohne KAT-Förderung hätte ich diesen Stand nicht erreicht.“ Gelingt es, Algen-Biomasse kontinuierlich und effektiv zu produzieren, dann könnten Algen bald auch auf andere Weise den Planeten bewohnbar erhalten. Ohne Insektizide und Herbizide und ohne Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion könnten Algen die Grundlage einer neuen Energiewende werden und Mensch wie Tier als Ernährungs- und Rohstoffquelle nützen. Diese farbenfrohe Vision verfolgt Prof. Griehl „von der Zelle zum Produkt“. 


KATalysiert

Das Innovationslabor für Algenbiotechnologie an der Hochschule Anhalt wurde im Jahr 2001 von Prof. Carola Griehl gegründet und im Aufbau durch KAT-Mittel unterstützt. Es hat einen herausragenden Ruf in der internationalen Algenforschung und bildet in Sachsen-Anhalt einen wichtigen Schwerpunkt der angewandten Forschung.