Verfahrenstechnik Grün ist die Hoffnung

Man könnte meinen, Algen wären hauptsächlich dafür gut, Sushi einzuwickeln und Teenager vom Meer fernzuhalten. Doch inzwischen werten zahlreiche Diskussionen über Biomasse die grünen Meeresbewohner zu potenziellen Kraftwerken auf. Nur wenige wissen, dass die Alge längst nicht nur in der japanischen Küche zum Einsatz kommt. Sie dient auch als Stabilisator, Verdickungsmittel oder in der Kosmetik als Wirk- und Nährstofflieferant. Als Quelle regenerativer Energie konnte das Meeresgewächs allerdings wegen der bislang negativen Gesamtenergiebilanz bei der Herstellung von algenbasierten Biokraftstoffen noch nicht überzeugen. Ein neues Verfahren setzt genau beim Energieaufwand der Algenernte an und wirkt sich zusätzlich positiv auf den anschließenden Trocknungsprozess aus. Mit einer Kombination aus Voreindickung (z.B. Flotation) und einer Spezialzentrifuge, dem sogenannten Sedicanter, lässt sich die Effizienz des Ernteprozesses entscheidend verbessern. Die effiziente Funktionsweise des Systems konnte in Versuchen bereits unter Beweis gestellt werden. Verarbeitungsmengen von bis zu 120m³ Algensuspension sind in einer Stunde möglich - und auch notwendig, um zu sinnvollen Gesamtmengen zu gelangen. In einem Fallbeispiel soll mit dieser Durchsatzmenge ein quantitativer Vergleich des konventionellen Prozesses mit drei Separatoren einerseits und dem System aus Flotation und Sedicanter andererseits angestellt werden. Dabei soll eine Algensuspension mit einem Algengehalt von etwa 3g/l betrachtet werden. Am Ende stehen 360kg getrocknete Algen. Bezieht man die höhere Trockensubstanz in der geernteten Suspension nach dem Sedicanter mit ein, bedeutet das bei einer nachgeschalteten Trocknung: Die Energiebilanz ist positiv. Zudem zeigt sich, dass bei der Verdampfung des Restwassers 40Prozent Einsparungen möglich sind. Um den hohen energetischen Aufwand für die Herstellung von Algenextrakt zu verstehen, muss man zunächst den Ernte- bzw. Eindickprozess betrachten. Wegen der geringen Algenkonzentration im Kulturmedium ist es notwendig, hohe Volumenströme zu verarbeiten. Die Zellen von Süßwasseralgen sind zudem lediglich etwa 2 bis 10µm groß. Bisher wird die Abtrennung aus dem Kulturmedium mit Tellerseparatoren durchgeführt. Deren hohe Zentrifugalkräfte sind notwendig, um selbst kleinste Zellkörper zu erfassen. Bei Separatoren rechnet man mit einem spezifischen Energieverbrauch von etwa 1kWh je m³ Algensuspension. Der geerntete Algenbrei erreicht immerhin eine Trockensubstanz von 17Prozent. Um an die Zielmenge von 360kg Algenpulver zu gelangen, müssten im Rechenbeispiel noch über 1.750l Wasser pro Stunde energetisch aufwendig verdampft werden. Das zweistufige System aus Flotation und Sedicanter beginnt mit einer Voreindickung des Kulturmediums. Erst anschließend wird dieses in einer Spezialzentrifuge getrennt, dem sogenannten Sedicanter. Dieser verfügt über ein ähnlich hohes Zentrifugalfeld wie der Separator. Durch die spezielle Konstruktion können in dieser Zentrifuge jedoch wesentlich höhere Feststoffmengen verarbeitet werden. Diese spezielle Bauart ermöglicht es in Kombination mit der Voreindickung, das benötigte Leistungsvolumen deutlich zu reduzieren.

75 Prozent Energieersparnis durch neuen Prozess

In einem konventionellen Prozess ohne Voreindickung müsste man zur Verarbeitung derselben Menge Kulturmedium etwa drei Separatoren einsetzen. Vergleicht man den Energieaufwand für drei Separatoren mit der Kombination aus Flotation und Sedicanter, sind in dieser Prozessstufe Einsparungen bei der Leistungsaufnahme von bis zu 75Prozent möglich. Der Aufwand für die Flotation liegt bei etwa 0,13kWh je Kubikmeter Suspension. Lediglich die Aufnahme im Sedicanter ist mit 2,5kWh je m³ zunächst höher als bei einem Separator. Da der Sedicanter bis zu 45Vol.-Prozent an Algenfeststoff im Zulauf verkraftet, muss nur ein Zwanzigstel der Gesamtmenge verarbeitet werden. Ein weiterer Vorteil des Sedicanters liegt in der erreichbaren Trockenmasse von bis zu 24Gewichtsprozent. Das bedeutet für das beschriebene Rechenbeispiel, dass zum Trocknen der Algen in einer Stunde über 600l weniger Wasser verdampft werden muss. Vergleicht man beide Verfahren und rechnet vor allem das gewaltige Einsparungspotenzial der Trocknung hinzu, ist das zweistufige Verfahren aus Flotation und Sedicanter klar im Vorteil. Das zweistufige Verfahren wird damit zu einer wirtschaftlich interessanten Alternative. Im Fallbeispiel ist die Leistungsaufnahme gegenüber konventionellen Systemen um bis zu 75Prozent geringer. Auch die verbesserte Trockensubstanz der geernteten Algenkulturen wirkt sich günstig auf nachgeschaltete Trocknungsprozesse aus. Damit lässt sich auch die zu verdampfende Wassermenge um bis zu 40Prozent reduzieren. Der einzige Haken: Das Beispiel basiert auf einer Hochrechnung aus gegebenen Prozessbedingungen. Selbst im beschriebenen Idealfall stehen nach einer Stunde „nur“ 360kg getrocknete Algensubstanz. Praktisch sind solche Kapazitäten derzeit nicht ausreichend. Ohne effiziente Kultivierung der Algen kann daher auch die zweistufige Algenernte ihr Potenzial derzeit noch nicht voll ausschöpfen. Für die Nahrungsmittel- oder Kosmetikindustrie dagegen sind solche Mengen wirtschaftlich schon jetzt interessant.