De motor achter algengroei is de fotosynthese. Door de hoeveelheid zonlicht voor de fotosynthese te optimaliseren is het wellicht mogelijk algen beter te laten groeien, voor een rendabele productie.
Om te begrijpen of, en zo ja hoe, de groeiomstandigheden van algen kunnen bijdragen aan het rendabel maken van algenproductie voor bijvoorbeeld biodiesel, moet je even helemaal terug naar de basis: de fotosynthese.
Algen (zowel de ééncellige microalgen als de meercellige macroalgen of wieren) zijn fotosynthetische organismen die in water groeien. Zonlicht is dus de energiebron voor hun groei. Ze zijn autotroof, wat wil zeggen dat ze hun biomassa opbouwen uit anorganische componenten: water (H2O), koolstofdioxide (CO2), stikstof (N), fosfor (P) en nog een aantal sporenelementen. De toevoer van voldoende zonlicht en koolstofdioxide is daarom van het allergrootste belang voor een snelle groei van de algen.
In figuur 1 is de groei van algen in iets meer detail uitgelegd. In deze algencel zit een groot compartiment (organel): de chloroplast. Die chloroplast zit vol met pigmenten als chlorofyl en carotenoïden die de zogenoemde fotosystemen vormen. Met behulp van de energie van lichtdeeltjes (fotonen) wordt in deze fotosystemen water gesplitst in zuurstof (O2), protonen (H+) en elektronen (e–). Zuurstof is dus eigenlijk een afvalproduct van de fotosynthese. De elektronen worden geparkeerd op de verbinding NADPH. De protonen worden gebruikt om ATP te maken. Dit ATP is de feitelijke brandstof van algen, net als in elk andere levend wezen. Met behulp van NADPH en ATP wordt in de chloroplast CO2 omgezet in suikers (weergegeven als CH2O in de figuur 1). De suiker uit de chloroplast is de basis voor (onder andere) de verdere groei van algen. Dit hele proces wordt fotosynthese genoemd.
Met deze achtergrond kun je de belangrijkste factoren bepalen die de snelheid van algengroei bepalen: (1) beschikbaarheid van voldoende zonlicht, (2) beschikbaarheid van voldoende koolstofdioxide en (3) beschikbaarheid van voldoende voedingsstoffen.
Verder moet de zuurstof die vrijkomt bij de fotosynthese verwijderd worden. Als de zuurstof ophoopt gaat deze namelijk de fotosynthese, en dus ook de algengroei als geheel, remmen. Ook de temperatuur van het water is van belang voor optimale groei. Deze is afhankelijk van de algensoort en ligt in het algemeen tussen 15 en 35 graden.
Het beïnvloeden van de hoeveelheid voedingsstoffen als stikstof en fosfor in een algenkweeksysteem is relatief eenvoudig. De beschikbaarheid van zonlicht en de efficiëntie waarmee dat licht door de alg gebruikt wordt is meestal de beperkende factor voor algen.
Optimaal licht
Algen absorberen zichtbaar licht, net als planten, in het golflengtegebied van 400 tot 700 nm. Dit is de ‘photosynthetic active radiation’, PAR. De lichtintensiteit wordt dan ook uitgedrukt in ‘mol PAR fotonen per vierkante meter per seconde’, met andere woorden: het aantal lichtdeeltjes tussen 400 en 700 nm dat in één seconde invalt op een oppervlak van één vierkante meter.
Op dit moment wordt een beperkt aantal algensoorten in grote vijvers gekweekt. Dit worden vaak ‘racebaanvijvers’ (raceway ponds) genoemd. In deze vijvers wordt het water met algen gemengd door middel van schoepenraden om te voorkomen dat de algen bezinken en om ervoor te zorgen dat alle algen aan dezelfde hoeveelheid licht worden blootgesteld. Het water bevat veel algencellen; zo veel dat al het zonlicht dat op de vijver valt wordt geabsorbeerd. Er zal dan ook nauwelijks licht op de bodem vallen. Dit is ook precies de bedoeling, omdat je al het licht wilt gebruiken voor algengroei. Het mag niet zo zijn dat licht ‘ongebruikt’ op de bodem van de vijver valt. Het is dus zaak de concentratie algencellen zo te kiezen dat al het zonlicht onderweg geabsorbeerd wordt. Dit wordt in de praktijk gedaan door de snelheid waarmee de algen geoogst worden aan te passen aan de productie. Deze kan van dag tot dag variëren gezien de variatie in zonneschijn en dus zal ook de oogst dagelijks aangepast moeten worden.
De ideale situatie is schematisch weergegeven in figuur 2. In deze figuur is de lichtgradiënt in de vijver zichtbaar: hoe dieper, hoe donkerder. De grafiek aan de linkerkant geeft de afname weer van de lichtintensiteit over de diepte van de vijver. Die lichtintensiteit neemt af door de absorptie van licht door de algen. Dat betekent dat de algen ook trager groeien als ze dieper zitten (middelste grafiek). Omdat de algen in zo’n open, stromend systeem continu worden gemengd, zal de groeisnelheid zich ook continu aanpassen aan de hoeveelheid licht op de betreffende diepte. In de rechter grafiek is te zien hoe efficiënt het licht wordt gebruikt op elke diepte in de vijver. Deze efficiëntie is erg laag in het relatief felle zonlicht aan het oppervlak en maximaal in de onderste helft van de vijver.
Als er te weinig algen worden geoogst zou het onderste deel van de vijver helemaal donker kunnen worden. In dat donkere deel zal de hoeveelheid biomassa niet groeien en zelfs kunnen afnemen omdat er nu eenmaal energie nodig is voor het onderhoud van de cellen. Als er niet genoeg licht is om die energie te leveren, zal de alg zijn koolhydraatreserves gaan verbranden en dus in massa afnemen. Dit kun je voorkomen door optimalisatie van de oogstsnelheid. Dat geldt niet alleen in zo’n open vijver, maar ook in gesloten fotobioreactoren.
Lichtverdunning
Er zijn maar weinig algensoorten die zich laten kweken in een open vijver. Veel vaker zul je dat in een gesloten ‘fotobioreactor’ moeten doen. Zo’n gesloten fotobioreactor heeft het voordeel dat je het ontwerp zo kunt aanpassen dat het zonlicht ‘verdund’ wordt over een groter oppervlak. Daarmee voorkom je dat de algen teveel licht krijgen en kun je het licht dus met grotere efficiëntie omzetten in biomassa. Toch is dit makkelijker gezegd dan gedaan. Het betekent vaak meer materiaalgebruik en hogere installatiekosten voor de fotobioreactor.
In figuur 3 en 4 worden twee karakteristieke ontwerpen getoond van fotobioreactoren: een buizenreactor in figuur 3 en een plaatreactor in figuur 4. De plaatreactor is zo opgesteld dat er per vierkante meter grondoppervlak een groter reactoroppervlak aanwezig is dat blootgesteld is aan zonlicht. Op deze manier kun je eenzelfde hoeveelheid licht dus verdunnen over een groter oppervlak. Ook de buizenreactor kun je verticaal opstellen om zo voordeel te halen uit dit lichtverdunningseffect. Op verschillende plekken in de wereld worden verschillende reactorontwerpen getest, onder andere op AlgaePARC bij Wageningen UR.
Alg met minder pigment
Behalve een aanpassing van het kweeksysteem, kun je ook de alg aanpassen aan het beschikbare licht. Zo kun je algen selecteren die minder pigment bevatten en daardoor minder licht absorberen. Dat klinkt wellicht tegenstrijdig, maar een alg die minder pigment heeft zou in een algenproductiesysteem juist efficiënter met licht om kunnen gaan. De productie van de algenvijver of fotobioreactor zou daardoor omhoog kunnen gaan. Zo’n ‘pigment-arme alg’ neemt bij een hoge intensiteit van het zonlicht niet zo snel teveel zonlicht op. Het licht dat wel wordt opgenomen wordt efficiënter omgezet in biomassa. Bovendien kan het zonlicht dieper doordringen in de algencultuur, waar het weer geabsorbeerd kan worden door andere cellen en gebruikt worden voor fotosynthese. In feite kun je op deze manier meer algen in de cultuur handhaven. Alle individuele algencellen groeien iets minder hard omdat ze minder pigment hebben, maar het licht wordt wel efficiënter benut en de productiviteit van de cultuur als geheel is hoger omdat er dus meer algencellen in zitten.
Ook dit principe is in de praktijk lastiger dan het lijkt. Er worden in laboratoria over de hele wereld pogingen gedaan om algen die interessante producten maken aan te passen zodat ze minder pigment hebben. Dit gebeurt door middel van kunstmatige selectie of gerichte genetische modificatie. Het is echter nog niet aangetoond dat deze soorten in grootschalige algenkweek op zonlicht ook echt productiever zijn.
Koolzuur erin, zuurstof eruit
Behalve het optimaal benutten van zonlicht is het ook belangrijk dat de algen genoeg CO2 gevoerd krijgen en dat de zuurstof – het ‘afval’ – op tijd wordt afgevoerd. Zoals in Figuur 3 en 4 te zien is worden de verschillende types fotobioreactoren ‘belucht’ met CO2-rijk gas. Dat kunnen bijvoorbeeld verbrandingsgassen zijn uit elektriciteitscentrales of generatoren. Die verbrandingsgassen hebben als extra voordeel dat ze arm zijn aan zuurstof, waardoor ze dit ‘afval’ van de fotosynthese makkelijk opnemen.
Ook open algenvijvers moeten ‘verrijkt’ worden met CO2 om een snelle algengroei te stimuleren. Het is helaas niet mogelijk om echt snelle algengroei te realiseren op basis van de concentratie CO2 in de lucht. Die is met 400 ppm, ofwel 0.04 volume% veel te laag. Voor hoogproductieve algenculturen zijn gasstromen met 10 volume% CO2 of meer nodig. De hoeveelheid zuurstof in een algenproductiesysteem moet lager gehouden worden dan ruwweg drie keer het niveau zoals dat in gewone buitenlucht zit (21 volume%). Boven deze waarde zal de fotosynthese geremd worden.
Temperatuur
De laatste grote uitdaging om algenproductiesystemen productiever te maken is temperatuurcontrole van het water waarin de algen groeien. Elke algensoort heeft zijn eigen optimale temperatuur. In het algemeen ligt deze tussen de 15 en 35°C. Afhankelijk van de plek op aarde en de gebruikte algensoort betekent dit dat het in de winter soms lastig wordt om algen te kweken. Omgekeerd moeten de meeste systemen in de zomer juist worden gekoeld omdat de algencultuur heel veel warmte van het zonlicht opneemt. In algenvijvers is die koeling in de praktijk geen groot probleem. Er zit heel veel water in het systeem en dus een grote warmtebuffer. Op echt warme dagen verdampt er dan wel veel water wat weer een nadeel is.
Voor gesloten plaatreactoren is een ontwerp bedacht waarin de platen met algen gemaakt zijn van plastic folies die zelf weer zijn opgesloten in een grote waterzak die als warmtebuffer fungeert. In dit geval kan dus net als in een vijver veel van de warmte gedurende de dag in de ‘waterzak’ worden opgeslagen om die in de nacht weer af te geven. Het voordeel van deze afgesloten zak ten opzichte van de vijver is echter dat er geen water verdampt.