Algen – Alleskönner aus dem Meer

Bekannt als Wakame-Salat und Maki-Sushi aus japanischen Restaurants haben Algen auch in Deutschland schon längst den Weg auf die Teller gefunden. Anders als bei Mikroalgen, die bereits in der Pharma- und Kosmetikbranche als Inhaltsstoffe verwendet werden, werden Makroalgen derzeit kaum in der Industrie genutzt. Die Hochschule Bremerhaven möchte dies ändern und überprüfen, ob sich Algen als nachhaltige Alternative zu Plastikverpackungen, als Nährmedium für die Zellforschung oder als Zusätze für Schmierstoffe eignen. In enger Zusammenarbeit mit regionalen Unternehmen wird auch die Wirtschaftlichkeit der neuen Rohstoffe unter die Lupe genommen.

Das Problem mit dem Plastik

Im Corona-Jahr 2020 wurden laut Statistischem Bundesamt bei den privaten Haushalten in Deutschland pro Kopf 78 Kilogramm Verpackungsmüll eingesammelt, also pro Person durchschnittlich 6 Kilogramm mehr als im Jahr 2019. Rechnet man die Verpackungen hinzu, die in der Industrie anfallen, kommt das Land auf einen Müllberg, der rund 6,5 Millionen Tonnen wiegt. Tendenz weiter steigend. Besonders Plastikverpackungen sind ein großes Problem für die Umwelt. Als Mikroplastik landen sie in den Meeren und so auch in der Nahrungskette. Auch in der Luft konnten inzwischen winzigste Plastikteilchen nachgewiesen werden. Erste Studien zeigen dabei, dass die Belastung in Innenräumen sogar noch stärker ist als draußen in der Natur. Was also tun gegen den immer größer werdenden Müllberg aus Plastikverpackungen?

Algen als Verpackungsmaterial

Makroalge

Die Lösung könnte eine essbare Verpackung aus Makroalgen sein. Im Projekt „Mak-Pak“ konnte Ende 2019 erfolgreich ein Verpackungsprototyp entwickelt und von Konsument:innen getestet werden. „Wir haben das essbare Material zusammen mit Backfisch und Kartoffelsalat verkosten lassen“, erklärt Prof. Dr. Ramona Bosse, Projektleiterin an der Hochschule Bremerhaven. „Dabei fanden 74 % der Befragten die Kombination mit Kartoffelsalat und 91 % der Befragten die Kombination mit Backfisch gut bis sehr gut.“ Die Herausforderung besteht nun darin, das Herstellungsverfahren so zu optimieren, dass es sich für die Massenproduktion in der Industrie eignet.

Hier führt das Projekt „Mak-Pak Scale up“ die Arbeit fort. Gearbeitet wird an verschiedenen Verpackungslösungen. Speziell die Kosten für die Unternehmen spielen dabei eine Rolle. „Eine Verpackung, die komplett aus Algen besteht, ist derzeit noch sehr teuer“, erklärt Lisa Klusmann wissenschaftliche Mitarbeiterin im Projekt. Während Mikroalgen sich rasend schnell vermehren und daher schon jetzt gern in der Pharma- und Kosmetikindustrie genutzt werden, sind Grün-, Braun, und Rotalgen viel anspruchsvoller. „Jede Sorte benötigt andere Voraussetzungen, zum Beispiel besondere Lichtverhältnisse“, weiß Lisa Klusmann. Im Labor werden diese in Zusammenarbeit mit dem Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung erzeugt, um eine optimale Umgebung für die Algen zu schaffen. So soll auch sichergestellt werden, dass die Qualität gleichbleibend hoch ist und nicht von äußeren Umständen beeinflusst wird. Kostengünstiger sei es, wenn die Algen beispielsweise mit weiteren Bio- oder Pflanzenmaterialen (z.B. aus Nebenströmen der Lebensmittelerzeugung) kombiniert werden. Auch muss das Verpackungsmaterial so optimiert werden, dass es feuchtigkeitsresistent und gleichzeitig bedenkenlos essbar ist.

Bis Ende 2023 wird an verschiedenen Zusammensetzungen für das Endprodukt gearbeitet. Ziel ist es, dass das neuartige Verpackungsmaterial dann die Marktreife erlangt und industriell hergestellt werden kann. Dies wird gemeinsam mit der Nordsee GmbH, der Pulp Tec GmbH & Co. KG sowie der Hengstenberg GmbH & Co. KG verfolgt. Die Makroalgenkultivierung übernimmt das Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung zusammen mit der RO-V-AL GmbH.

Nachhaltige Zellkulturen ohne Tierleid

Grün leuchtende Mausezellen
Ein Hingucker unter dem Mikroskop: CHO-Zellen werden zur Herstellung von Biopharmazeutika benötigt. Wenn sie das "Green Fluorescent Protein" produzieren, leuchten sie.
Quelle: Prof. Dr. Felicitas Berger

Doch nicht nur Verpackungsmüll ist problematisch. Auch der steigende Bedarf an Lebensmittel durch die wachsende Weltbevölkerung ist eine Gefahr für Umwelt und Klima. In diesem Zusammenhang wird die Zell- und Gewebeforschung auch jenseits der Medizin immer wichtiger. „Zellkultur ist eine zukunftsweisende Technologie. Wenn wir sie beispielsweise nutzen, um Fleisch oder Fisch zu erzeugen, können wir den steigenden Bedarf an Lebensmitteln besser decken und gleichzeitig Massentierhaltung vermeiden“, sagt Prof. Dr. Imke Lang, Leiterin des Masterstudiengangs Biotechnologie an der Hochschule Bremerhaven. Aktuell werden Zellkulturen jedoch auf Nährmedien angelegt, die wenig nachhaltig sind. Entweder werden sie auf Rohölbasis hergestellt oder aus Tieren gewonnen. Für das sogenannte „Fetale Kälberserum“ sterben jährlich Millionen Kälber vor ihrer Geburt. „Wenn man bedenkt, dass wir durch die Zellkultur eigentlich Tierleid verhindern wollen, ist es natürlich absurd, gerade das Nährmedium auf diese Weise zu gewinnen“, sagt Prof. Lang.

Hier setzt das Forschungsprojekt „SerAZel“ an. Prof. Dr. Imke Lang und Projektmitarbeiterin Hanna Eisenberg möchten auf Basis von Rotalgen Zusatzstoffe für die serumfreie Zellkultur entwickeln. „Das Besondere an Rotalgen ist, dass sie auf Zuckerquellen wachsen. Man könnte beispielsweise Überreste aus der Lebensmittelproduktion nutzen, um die Algen zu kultivieren. Das wäre ein zusätzlicher Nachhaltigkeitsaspekt“, erklärt Prof. Lang. Erste Experimente, bei denen Algenextrakte für die Kultivierung von tierischen Zellen verwendet wurden, haben im neu eingerichteten Labor für Zellkulturtechnik unter der Leitung von Chemieprofessorin Prof. Dr. Felicitas Berger bereits stattgefunden. Dabei wurde das Wachstums- und Stoffwechselverhalten der mit Algenextrakten behandelten Zellen mit solchen verglichen, die tierische Seren als Mediumzusatz erhalten. Weitere Versuche folgen. Bis Ende September 2022 sollen die ersten Ergebnisse vorliegen. Dann wird entschieden, ob „SerAZel“ für weitere drei i Jahre gefördert wird.

Schmierstoffe ohne Rohöl

Auch in der Metallindustrie könnten Substanzen aus Mikroalgen als nachhaltige Rohstoffe zum Einsatz kommen. Ob und wie sie als Schmierstoffzusätze Mineralöle ablösen können, untersucht das Verbundprojekt ALBINA. In Kooperation mit der Universität Bremen, der Hochschule Bremen und der Hochschule Wismar wird dabei Neuland in der Algenforschung betreten: Bislang finden Algensubstanzen als Schmierstoffzusätze noch keine Anwendung in der Industrie und es gibt kaum Studien dazu.

„Wir haben eine breite Auswahl an Algenstämmen kultiviert und charakterisiert, um ihre Eignung für das Projekt festzustellen“, so Projektleiterin Prof. Dr. Imke Lang. „Dabei stehen sowohl das Medium, in dem die Algen kultiviert werden, als auch die extra- und intrazellulären Substanzen im Fokus.“ In den Algenzellen befinden sich weitere potenzielle Schmierstoffzusätze, wie Proteine, die ebenfalls untersucht werden. Das Projekt endet im Sommer 2022. Dann lässt sich sagen, ob die Nutzung von Algen in diesem Bereich möglich ist.

Förderhinweise

Das Projekt Mak-Pak Scale-Up wird gefördert durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL).

Das Projekt SerAZel wird gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und den Projektträger Jülich (PTJ).

Das Projekt ALBINA wird gefördert durch die Fachagentur nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) und das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL).