Reader: Algen op School Alles wat je moet weten om zelf algen voor je Profielstuk te kunnen kweken

Auteurs: Timon Torres Ruano (AlgaePARC), Guido Linssen (Food Valley Netwerk VO-HO)

Redactie: Marion Kemperman (Food Valley Netwerk VO-HO)

September 2018 2

Voorwoord

Algen zijn leuk om een onderzoek mee te doen op school, bijvoorbeeld voor je Profielwerkstuk. Helaas haalt niet iedereen hetzelfde resultaat. Dit is ook niet gek. Algen zijn niet makkelijk onder controle te krijgen als je niet weet wat je doet. Vandaar deze reader. Na het lezen ben je in staat zelf een kweeksysteem en experiment op te zetten. Het is niet de bedoeling dat je deze reader kopieert voor je eigen onderzoek. Er zijn duizend en één mogelijkheden om je algenonderzoek te doen, nu heb je de kans om je eigen ding te doen.

De informatie in deze reader is globaal en bevat geen bronvermelding. Als je er meer over wilt weten of naar een bron wilt refereren in je verslag, moet je zelf op Google de informatie achterhalen. Kom je er niet uit, dan helpen wij je graag verder via Profielwerkstuk@wur.nl.

Succes met je onderzoek!

September 2018 3

Inhoudsopgave

1. Introductie over algen ........................................................................................4

Opdracht 1: Waarom zijn algen nou zo interessant? ...................................................4

2. Wat is een alg? ..................................................................................................5

Opdracht 2: Wat kun je nou eigenlijk met algen? ........................................................6

3. Algen vs. Planten ...............................................................................................7

3.1 Efficiëntere fotosynthese ................................................................................7

3.2 Geen landbouwgrond nodig ...........................................................................7

3.3 Minder verspilling water en nutriënten ............................................................7

3.4 Zeewater volstaat ...........................................................................................7

Opdracht 3: Algenboerderij ..........................................................................................8

Antwoorden bij opdracht 3 ........................................................................................9

4. Huidige applicatie van algen ............................................................................ 10

4.1 Afvalwaterzuivering ...................................................................................... 10

4.2 Pigment productie......................................................................................... 10

4.3 Voeding ........................................................................................................ 10

4.4 Biodiesel uit algen ........................................................................................ 11

4.5 Zelf biodiesel maken ..................................................................................... 11

Opdracht 4: Hoeveel algen, hoeveel olie? ................................................................. 13

Antwoorden bij opdracht 4 ......................................................................................... 14

5. Zelf algen kweken ............................................................................................ 15

5.1 Fotobioreactor .............................................................................................. 15

5.2 Licht en algen ............................................................................................... 15

5.3 CO₂ toevoer .................................................................................................. 18

5.4 O₂ verwijderen .............................................................................................. 19

5.5 Condities ...................................................................................................... 19

Opdracht 5: Ontwerp je eigen Fotobioreactor ............................................................ 22

6. Experimenten doen met algen ......................................................................... 23

6.1 Metingen ....................................................................................................... 23

6.2 Het experiment opzetten .............................................................................. 24

6.3 Verschillende reactoren in de praktijk ........................................................... 26

Opdracht 6: Variatie op vlakke platen ........................................................................ 28

Antwoorden bij opdracht 6 ...................................................................................... 29

September 2018 4

1. Introductie over algen

We leven grotendeels in een lineaire economie, dit houdt in dat we grondstoffen mijnen/oogsten, deze gebruiken (misschien één of twee keer) en vervolgens weggooien door ze op te slaan in vuilnisbelten of te verbranden. Zoals we allemaal weten kunnen we dit niet voor eeuwig volhouden. Aardolie raakt ooit op. Afvalstoffen zoals fosfaat en broeikasgassen stapelen zich op (accumuleren). Dit zal ooit moeten stoppen of de mensheid zoals we hem kennen zal simpelweg niet langer kunnen blijven bestaan. Zelf hebben wij het geluk dit nog niet in extreme mate mee te maken, maar onze kinderen zullen hier ongetwijfeld last van hebben.

Gelukkig zijn we op weg om duurzaam te worden. Er wordt steeds meer energie opgewekt uit onuitputtelijke bronnen zoals de zon, wind, water en kernfusie (wanneer dat zover is). Dit is een goed begin, maar we zijn er nog lang niet. Bovendien lossen deze bronnen alleen het elektrische energievraagstuk op. Brandstoffen en materialen zoals plastic en verf zullen nog steeds van aardolie gemaakt worden, ook al is de laatste kolencentrale dicht. Het gat tussen energie en materiaal is heel moeilijk te overbruggen. Zelfs de meest moderne technieken kunnen amper C-C bindingen vormen. Zonder deze koolstofverbindingen is het vrijwel onmogelijk om materialen te maken. Op deze manier zullen we blijven leven in een lineaire economie.

Er is een proces dat met behulp van energie en water deze koolstofverbindingen kan maken. Het gaat hier om een oeroud principe, ‘bedacht’ door ééncellige organismen om te kunnen overleven. Dit is een proces waarbij licht door moleculen wordt ingevangen en waarmee een scheikundig proces begint waarbij CO2 in de lucht wordt gebruikt als grondstof de aanmaak van glucose. Fotosynthese dus. En dit proces vindt plaats in de chloroplast oftewel de bladgroenkorrel. Glucose zit vol met koolstof en kan met verschillende processen naar brandstoffen zoals ethanol of plastics als PLA omgezet worden. Een veelzijdig goedje dus. Fotosynthese is de grondlegger voor vrijwel alle materialen die we gebruiken. Denk aan hout, papier, maar ook aardolie is miljoenen jaren geleden ontstaan uit biologisch materiaal. Dus eigenlijk zijn de koolstofverbindingen in het plastic, waar we bijvoorbeeld onze flessen van maken, gevormd door planten.

Opdracht 1: Waarom zijn algen nou zo interessant?

Veel onderzoeksinstellingen en bedrijven doen onderzoek naar algen, maar waarom? Wat maakt een alg interessanter dan een plant? Denk zelf even na waarom algen beter lijken dan planten. Zoek daarna op internet wat goede redenen lijken om voor algen te kiezen in plaats van planten.

September 2018 5

2. Wat is een alg?

En dit allemaal in een bladgroenkorrel. Je hebt nu allerlei voordelen van algen gehoord, maar wat zijn het nou eigenlijk? Een vies, groen, vloeibaar goedje? Waarom worden al die onderzoekers daar nou zo enthousiast van?

De algen waar het meeste onderzoek naar gedaan is bij Wageningen University & Research, zijn de microalgen. Dit zijn eencellige plantjes die tussen de 1 en 300 micrometer variëren. En variatie is er zeker, er zijn namelijk al meer dan 100.000 soorten geïdentificeerd, met ieder nog zijn eigen sub-soorten. Verder bevat een algencel hetzelfde als een plantencel. De cellen zijn dus eigenlijk zakjes met een celkern, chloroplasten voor de fotosynthese en mitochondriën. Sommige algen hebben ook flagellen.

Waar je goed rekening mee moet houden is dat algen ook een celwand hebben. Wanneer je een stofje uit een alg wilt halen moet je eerst de cellen stuk maken. Dit lijkt simpel, maar omdat ze zo ontzettend klein zijn kan dit toch wel eens lastiger zijn dan je verwacht!

Het chlorofyl zijn de organellen die de alg groen maken. Dit zijn ook de systemen waar de fotosynthese plaats vindt. Omdat algen zoveel mogelijk licht willen vangen om zo snel mogelijk te groeien zijn ze dus ook ontzettend groen. Een oplossing van één of twee gram alg per liter is al zo groen dat je er nauwelijks meer dan 2 cm doorheen kan kijken. Maar dit kan ook problemen met zich meebrengen. Wanneer je een reactor (kweeksysteem) gaat maken om de algen te groeien kom je deze problemen zeker tegen.

Omdat algen zoveel chlorofyl hebben kunnen ze fotoinhibitie gaan vertonen. Dat is wanneer een alg zoveel licht tegelijk in energie om wilt zetten dat de fotosystemen dit niet meer aan kunnen. Het is vergelijkbaar met het vullen van een beker met een brandweerspuit. Het kan wel, maar het wordt wel een zooitje. In een cel betekent dat dat de overige energie schade aan gaat brengen in de hele cel. Dit willen we natuurlijk niet. Gelukkig heeft de alg hier een verdedigingsmechanisme voor. Veel algensoorten kunnen namelijk een soort anti-zonnebrandcrème aanmaken, carotenoïden zijn dat. Dit zijn grote rood/oranje moleculen. Deze houden licht tegen, zonder daar energie uit te winnen. Dus bij veel licht maakt een alg veel carotenoïden aan en bij minder licht minder carotenoïden.

Figuur 1 Samenstelling van een microalg

September 2018 6

Opdracht 2: Wat kun je nou eigenlijk met algen?

Nu je weet hoe een alg in elkaar zit, kun je ook bedenken wat je er van kunt maken. Bedenk eerst zelf een aantal toepassingen en zoek vervolgens op internet naar meer mogelijkheden.

September 2018 7

3. Algen vs. Planten

3.1 Efficiëntere fotosynthese

Fotosynthese komt voor in vrijwel alles wat natuurlijk en groen is. Zo hebben gewassen een fotosynthetische efficiëntie van tussen de 0.5 en 1.5%. Dat houdt in dat ongeveer 1% van de lichtenergie die op de plant valt ook daadwerkelijk in chemische energie wordt omgezet en opgeslagen wordt in de biomassa van de plant. Dat lijkt niet veel, maar de meeste energie wordt verspild doordat er bijvoorbeeld licht weerkaatst of doordat de plant niet zoveel energie tegelijk kan absorberen. Algen hebben een fotosynthetische efficiëntie van tussen de 3 en 4%. Dat is al 2 tot 8 keer zoveel. Op het halve oppervlak (of nog veel minder) zou je dezelfde energiewinst kunnen behalen.

Dit grote verschil in efficiëntie komt omdat alg geen wortels en stammen hoeft te maken voordat het meer bladeren kan maken. Een alg is een soort eencellig blad, die als hij deelt, verandert in twee bladeren.

3.2 Geen landbouwgrond nodig

Een nog groter voordeel is dat algen niet op vruchtbare landbouwgrond hoeven te groeien. Planten zoals koolzaad worden verbouwd op landbouwgrond om biodiesel te kunnen produceren. Dan wordt er dus geen voedsel verbouwd op deze grond. Dat terwijl er mensen op de wereld honger lijden. Dit is een felle discussie; de ‘Food vs. Fuel-discussie’. Wanneer in de toekomst de wereldpopulatie nog verder groeit zal er nog meer voedsel nodig zijn en daarmee meer landbouwgrond. Daar komt bij dat er steeds minder landbouwgrond beschikbaar is door verzilting en verwoestijning.

3.3 Minder verspilling water en nutriënten

Algen kunnen op zee of in de woestijn verbouwd worden. Dan is er geen concurrentie met voedsel. Mensen vragen zich af; “Algen in de woestijn? Daar is toch geen water?” Het is misschien niet voor de hand liggend, maar algen verbruiken veel minder water per kilogram biomassa dan andere planten. Dat komt omdat je algen kan groeien in gesloten buizen of zakken, zonder dat er water zomaar kan verdampen. Voor planten gaat dat niet zo makkelijk. Verder hebben deze gesloten systemen als voordeel dat alle nutriënten die toegevoegd worden ook daadwerkelijk in de alg terecht komen en niet in de sloot er naast.

3.4 Zeewater volstaat

Als laatste voordeel kun je algen zeewater geven. Niet alle soorten, maar soorten die uit de zee afkomstig zijn kunnen niet zonder zeewater. Planten hebben altijd zoetwater nodig. Dat is niet overal beschikbaar, of niet genoeg. Op die manier concurreren algen ook niet met drinkwater.

September 2018 8

Opdracht 3: Algenboerderij

Wanneer je alle voordelen van algen leest dan zou je verwachten dat iedere boer dit jaar nog overstapt op algen in plaats van planten. Geef aan waarom dit niet zo is.

September 2018 9

Antwoorden bij opdracht 3

Het opzetten van een algenboerderij kost enorm veel geld. Wanneer je deze Spaanse algenboerderij vergelijkt met een Hollandse akker zijn er hier en daar wel een paar verschillen te zien. Samengevat zie je hier miljoenen Euro’s aan apparatuur die constant onderhouden moeten worden en algen die de hele dag en nacht door de buizen gepompt moeten worden. Dit zorgt er voor dat een kilo algen nog veel duurder is dan een kilo normale plant.

Figuur 2 Foto van algenkweek op grote schaal

September 2018 10

4. Huidige applicatie van algen

Op dit moment worden algen nog niet veel in de praktijk toegepast. Hieronder worden een aantal applicaties toegelicht. Niet al deze applicaties worden op dit moment (2018) toegepast.

4.1 Afvalwaterzuivering

Omdat algen veel nutriënten zoals NOx, Urea, PO4 en metalen kunnen opnemen in hun biomassa tijdens de groei, is dit interessant voor afvalwaterzuivering. Heb je bijvoorbeeld een fabriek die veel ammonia of fosfaat in een water reststroom heeft, dan mag dit water niet zomaar in de sloot gedumpt worden. Eerst moet het water gezuiverd worden. Huidige waterzuiveringsinstallaties hebben een hoog organisch-koolstofpercentage nodig om bacteriën te kunnen laten groeien in het water. Tegelijk met deze groei worden afvalstoffen omgezet of opgenomen. Algen hebben geen organische koolstof in het water nodig, alleen CO2. Afvalwaterzuivering met behulp van algen wordt op dit moment al op kleine schaal toegepast.

Een groot probleem in Nederland waarbij algenafvalwaterzuivering een goede oplossing kan bieden is het mestprobleem. In Nederland wordt namelijk ontzettend veel varkensmest geproduceerd waar we nu niets mee kunnen. Het kost zelfs veel geld om de mest op te ruimen. Eén van de mogelijke oplossingen is de mest eerst fermenteren, zodat biogas vrij komt waar huizen mee verwarmd kunnen worden of auto’s op kunnen rijden. De afvalstroom uit de fermentatie bevat dan haast geen organische koolstof meer en kan niet goed door conventionele afvalwaterzuivering opgeruimd worden. Algen kunnen dat wel. Dit idee wordt op het moment (2018) nog onderzocht, maar wacht op een doorbraak.

4.2 Pigment productie

Algen zijn supergroen. Wanneer je een druppel op je kleren krijgt , krijg je dat er nauwelijks uit. Dat is niet handig op het lab, maar wel voor bedrijven die pigmenten (kleurstoffen) met algen maken. De mogelijke kleuren zijn zeker niet gelimiteerd tot groen. Je kunt rode, groene, gele en blauwe pigmenten maken met algen. Blauwe en roze Smarties worden al met behulp van algen gekleurd.

4.3 Voeding

Algen zijn erg gezond. Ze zitten bomvol proteïnen, essentiële vetzuren en vitaminen. Een goed voorbeeld hiervan zijn de carotenoïden waar we het eerder over hadden. Hier kan je lichaam vitamine A van maken. Dat is een belangrijke stof die nodig is voor je retina (in je oog). Ook omega-3 vetzuren komen in relatief hoge concentratie voor in algen. Op het moment zeggen we dat mensen af en toe vette vis moeten eten, of tabletten met visolie moeten slikken om aan omega-3 vetzuren te komen. Het grappige is dat vissen deze vetzuren helemaal niet zelf aanmaken. Ze krijgen ze binnen via de algen die zij eten. Dus waarom zouden we de zeeën leeg vissen om het in pilletjes te stoppen als je het ook met algen van afvalwater kan maken!

Verder zijn algen zoals gezegd een bron van proteïnen (eiwitten). Algen bestaan gemiddeld voor zo’n 60% droog gewicht uit eiwit en kan prima als vleesvervanger

September 2018 11

gebruikt worden. Op de sportschool zeggen ze dat je kipfilet moet eten om veel eiwit binnen te krijgen, maar algen bevatten ongeveer 4 keer zoveel eiwitten per gram. Het is alleen lastig om algen aan de consument te verkopen. De bittere smaak helpt hier niet bij. Daarom zie je op het moment (2018) niet veel algen in de supermarkt. Soms zie je wel potjes met gedroogde poeders bij de superfood afdeling. Wil je graag zelf algen proberen, dan raad ik je aan naar de Aldi te gaan. Daar hebben ze potjes Spirullina voor maar €1.79.

4.4 Biodiesel uit algen

Het algenonderzoek is groot geworden met de hype dat je er biodiesel mee kunt maken. Het probleem is dat een liter diesel aan de pomp zodanig laag geprijsd is dat algen hier nooit mee kunnen concurreren. De verwachtingen zijn dat we een kg alg voor zo’n €1,50 kunnen produceren. Daarvan is ongeveer 1/3 olie. Die olie moet nog omgezet worden in biodiesel, dat is ook niet goedkoop. Wanneer de prijs van aardolie omhoog gaat, kunnen andere vormen van brandstof, zoals biodiesel van algen, beter concurreren. De harde werkelijkheid is dat de productie van biodiesel met algen nog heel lang zal gaan duren, als het überhaupt ooit van de grond komt.

4.5 Zelf biodiesel maken

Lipiden

Algen maken niet direct biodiesel. Ze maken lipiden, dat zijn vetten (of oliën, dat is chemisch hetzelfde) die omgezet kunnen worden in biodiesel. Lipiden maak je niet zomaar. Wanneer een alg lekker aan het groeien is, steekt hij zijn energie in de productie van meer biomassa. Hierdoor ontstaan meer algen, maar deze algen bevatten hooguit een paar procent olie. Wat we daarom willen is algen vetmesten. We willen niet dat de energie naar het groei-metabolisme gaat, maar naar het lipide metabolisme. Er zijn verschillende manieren om dit te doen, maar ik raad sterk aan om N-depletie toe te passen. Hierbij groeien de algen in een omgeving (een medium) zonder opneembare stikstof. Dat houdt dus in geen NOx, urea of ammonia. N2 gas kan niet door de algen worden opgenomen. Wanneer er geen N op te nemen is, kan de alg geen aminozuren meer maken, die bevatten namelijk één of twee N atomen. Geen aminozuur synthese, betekent ook geen eiwit synthese. Wanneer de alg geen eiwitten meer kan maken, kan hij ook niet meer algen maken. Die bevatten namelijk heel veel eiwit, zoals eerder gezegd. Dus de alg kan niet groeien. Maar wat moet hij dan met zijn energie?

Stressen

Sommige algensoorten kunnen de energie die ze over hebben gebruiken om glucose uit de fotosynthese om te zetten in lipiden. Algen laten groeien onder N-depletie wordt stressen genoemd. Dit doet de alg zodat het energieoverschot niet ophoopt in de cel en schade aanbrengt, maar ook zodat hij een energiereserve heeft voor als hij later wel weer kan groeien (weer opneembare stikstof tot zijn beschikking heeft). Door al het vet te verbranden kan hij samen met de energie uit de fotosynthese extreem snel groeien en zijn concurrentie voor zijn.

Als je biodiesel gaat maken moet je daarom eerst zorgen dat je veel algen hebt. Vervolgens moeten de algen stressen. Als laatste moet de lipide uit de algen gehaald

September 2018 12

worden. Het omzetten van de lipide (vetten/oliën) in biodiesel is vrij eenvoudig en makkelijk op internet te vinden. De handeling is namelijk hetzelfde als bij andere plantaardige oliën, zoals raapzaad- en koolzaadolie. Het probleem zit meestal in de extractie van de lipide. Hiervoor moeten de geoogste algen open gebroken worden en vervolgens de olie geëxtracteerd.

Oogsten kan eenvoudig door de algen te laten bezinken. Zet de menging en lucht toevoer uit, de algen zinken overnacht naar de bodem. Hevel 95% van het water af. Nu heb je een geconcentreerde oplossing. Zorg wel dat de algen niet veel licht krijgen tijdens dit proces.

Openbreken

Het openbreken van de algen is lastiger. Omdat algen zo klein zijn en een celwand hebben zijn ze enorm sterk. Dus wees grondig met het breken. Je kunt de geconcentreerde oplossing met een staafmixer te lijf gaan. Dit zorgt voor een hoge shear kracht (hydrodynamische term voor duwen en trekken in water). Doe dit totdat de staafmixer bijna oververhit raakt (zie handleiding staafmixer). Laat hem afkoelen en doe dit nog 2 keer. Dit trekt veel cellen kapot, maar niet allemaal. Om meer cellen stuk te maken kun je de oplossing drogen (overnacht op 60 graden Celcius, niet meer!) op een bakpapier en dan vijzelen. Doe dit ook heel grondig!

Olie extraheren

Vervolgens moet de olie uit de algen gehaald worden. Dit kun je doen door de kapotte algen in een klein beetje water op te lossen en er een oplosmiddel zoals hexaan, ether of petroleum ether aan toe te voegen (1:3 water:oplosmiddel). Zet dit op een roerplaat (het liefste op een graad of 40 Celsius) met een horlogeglas erop. Laat de extractie overnacht doorgaan. Was ook goed de vijzel met het oplosmiddel om de laatste restjes algen weg te spoelen. De volgende dag scheid je het water van het oplosmiddel. De olie zit nu in het oplosmiddel. De olie heeft een kookpunt van meerdere honderden graden Celsius, het oplosmiddel minder dan 70 graden Celsius. Verhit de oplossing tot zo’n 60 graden Celsius (afhankelijk van het oplosmiddel). DOE DIT NIET BOVEN EEN GASVLAM EN IN GOED OVERLEG MET JE DOCENT OF TOA!!! De damp van de oplosmiddelen is namelijk zeer licht ontvlambaar! Mocht je school een Rotavap (rotary evaporator of draaiverdamper) hebben, gebruik deze dan. Wat er over blijft is de olie. Wil je precies weten hoeveel olie je hebt, weeg dan het droogschaaltje voor en na het drogen. Het verschil in gewicht is de winst aan olie.

Als je dit experiment gaat doen, ga dan eerst met je TOA of SK docent om de tafel zitten om een exact protocol op te stellen. Zo vermijd je dat je er halverwege achter dat je iets nodig hebt dat op school niet aanwezig is.

September 2018 13

Opdracht 4: Hoeveel algen, hoeveel olie?

Op AlgaePARC kweekten we de soort Scenedesmus oblicus. Deze alg accumuleert lipide tot 40% van zijn biomassa. Dat is extreem veel vergeleken met andere soorten. Het was een goede zomer dus het water bevatte 6.5g/L alg. Tijdens de extractie van de olie gaat ongeveer 10% verloren. Na mijn werk ga ik met de auto naar huis (40km verderop). Het is een oud, klein dieselautootje dat rijdt op algenbiodiesel. Hij verbruikt 1 liter per 22 km.

Hoeveel liter algen moet ik kweken om een maand (22 werkdagen) op en neer naar mijn werk te kunnen rijden?

De buizenreactoren hebben een binnendiameter van 6,0 cm. Hoeveel meter buis is er minimaal nodig voor mijn maandelijkse consumptie? Denk je dat dit redelijk is?

September 2018 14

Antwoorden bij opdracht 4

Je hebt 30.1*103L algenwater en 11 km buis nodig. Dat is natuurlijk onmogelijk. Zeker als je er rekening mee houdt dat de groei en stress samen ook ongeveer een maand duurt. Dan zou iedereen die zover voor zijn werk moet rijden een enorme achtertuin vol algen moeten hebben.

September 2018 15

5. Zelf algen kweken

We weten nu dat algen vele toepassingen hebben. Maar hoe kun je nou zelf algen kweken? Als je ooit een aquarium of vissenkom gehad hebt, heb je er vast ervaring mee. Een beetje vies water, wat zon en je bak is in een mum van tijd groen. Helaas zijn dit algen die op een oppervlak groeien, niet de eencellige microalgen waar we het eerder over gehad hebben. Microalgen zijn wat kieskeuriger, wanneer je deze wilt gaan kweken voor je onderzoek moet je een Fotobioreactor (FBR) maken. FBRs heb je in vele varianten die kunnen variëren tussen een erlenmeyer op een roerplaat tot meters buizen met bellenkolommen. Maar wat is een FBR?

5.1 Fotobioreactor

Het woord fotobioreactor zegt het eigenlijk zelf al. Foto, een ander woord voor licht. Bio, levende cellen. Reactor, een duur woord voor bak water waarin reacties plaats vinden. Dus samengevat, een bak water met algen waar licht en voedingstoffen in zitten. Helaas is het in de praktijk niet zo makkelijk. Dus waar moet je allemaal rekening mee houden?

Wat moet er in?

Licht, nogal logisch natuurlijk.

CO2

Nutriënten

Wat moet er uit?

O2

Condities die goed/constant moeten blijven

pH

Temperatuur

Menging

In een FBR moeten aan al deze factoren gedacht zijn. Als er één niet goed is, zou het kunnen dat je hele reactor niet meer werkt.

5.2 Licht en algen

Zonder licht geen fotosynthese. Algen absorberen licht voor energie, maar niet alle

September 2018 16

kleuren kunnen ze even goed opnemen. In het spectrum hiernaast zijn twee absorptie pieken te zien. Bij blauw/paars (400-500 nm) en bij rood (680 nm). Algen zijn erg goed in het omzetten van deze kleuren licht in energie. Wat opvallend is, is dat groen licht niet goed geabsorbeerd wordt. Logisch ook, want algen zijn zelf groen. Als ze dit ook goed op konden nemen zouden ze bijna zwart zijn.

Chlorofyl heeft een absorptie piek bij 680 nm, carotenoïde absorberen juist bij 480 nm. Gezonde, goed groeiende cellen hebben een hoge absorptie bij 680 nm en een lage bij 480 nm. Het absorptiespectrum hierboven laat een hoge piek zien bij 640 nm maar dat heeft weer andere oorzaken. Er is soms een derde fotosysteem actief dat licht van 400-500 nm omzetten in energie. Dit veroorzaakt de piek van 440 nm. De carotenoïde gaat daar nog eens overheen, met de absorptie piek bij 480 nm. Omdat deze pieken overlappen zijn ze lastig te meten zonder het hele spectrum te meten.

Veel scholieren willen onderzoek doen naar het effect van lichtkleur op de groeisnelheid. Dit is een lastig onderzoek want hier is kostbare apparatuur voor nodig dat op scholen niet standaard aanwezig is. Bovendien is er het probleem van de interpretatie van de onderzoeksresultaten. Je moet wel weten dat licht bestaat uit fotonen waarvan de energie afhangt van de kleur van het licht. Je leraar kan je hier alles over vertellen.

Het kan lastig zijn om alle algen van genoeg licht te voorzien om ze goed te laten groeien. Een aquarium dat vol algen zit is in het midden lastig te verlichten. Als je algen goed groeien, wordt het na een paar dagen al vrijwel onmogelijk om er meer dan 4 cm doorheen te kijken. Als de afmetingen van het aquarium zodanig zijn dat de kleinste lichtweg van glas naar glas al een paar decimeter groot is, dan kun je je voorstellen dat de overgrote meerderheid van de algen in de reactor in het donker zit. Daar groeien ze natuurlijk niet zo goed. Een mooie deelvraag van een Profielwerkstuk, trouwens. Hoe hangt de doordringdiepte van licht af van de algenconcentratie?

Figuur 3 Absorptie spectrum van algen

September 2018 17

In Figuur 4 kun je zien dat de groeisnelheid (𝜇) sterk afhangt van de Photon Flux Density (PFD of ook wel lichtintensiteit). Maar er is ook te zien dat als de lichtintensiteit nog hoger wordt, de groeisnelheid niet veel meer wordt. Dus hoe ziet dit er uit in een FBR? Vooraan de FBR is natuurlijk veel licht, achteraan weinig of geen licht. Het lichtprofiel wordt beschreven door de wet van Lambert-Beer. Dus vooraan groeien de algen snel, achter langzaam of niet.

In de grafiek is het licht profiel (PFD) en groeisnelheid (𝜇) in de reactor goed weergegeven. Wat opvalt is dat de PFD en 𝜇 niet parallel lopen. Dit komt omdat het

verband tussen PFD en 𝜇 niet helemaal lineair is. Daarom wordt er in de voorkant van de reactor veel licht verspilt. Hier wordt geen energie van gemaakt.

Stel je wilt een aquarium van 30 cm breed vanaf één kant volledig belichten, dan moet je er zoveel licht op zetten dat 95% van het licht weggegooid wordt. Er is vooraan simpelweg te veel licht om tegelijk te verwerken door de algen, vandaar het verlies.

Een ander uiterste is een hele dunne reactor. Op die manier hoef je het licht niet hoog te zetten om te zorgen dat de algen achteraan genoeg licht hebben. In het lab gebruiken we reactoren met een lichtpad (doorsnede met algenwater) van maximaal 2 cm. Dat is misschien een beetje overdreven, maar op deze manier kun je makkelijk een hoge groeisnelheid halen. De reactoren op algaePARC hebben een lichtpad van 6 cm. Wanneer er geen licht aan de achterkant van de reactor uitkomt, is al het licht opgenomen door de algen. Al het licht wordt omgezet in energie of verspild aan

Figuur 4 Licht absorptie en groeisnelheid profiel in een FBR

Figuur 5 Groeisnelheid afhankelijk van licht intensiteit

September 2018 18

3

carotenoïde vooraan in de reactor. Zou je de reactor dieper maken, dan maakt dit geen verschil. Je maakt nog steeds van al het licht energie. Dus meer volume betekent niet meer algen. Denk hierover na wanneer je een reactor bouwt.

5.3 CO₂ toevoer

Als de algen veel licht krijgen willen ze snel groeien, maar voor groei hebben ze CO2 nodig. Dit kun je toevoegen door lucht door de FBR te blazen. Helaas zit er in lucht maar 0.04% CO2, dat is heel weinig. Gassen lossen namelijk op in water afhankelijk van de concentratie in het gas dat er mee in contact staat (Henry’s Law). Dus met zo weinig CO₂ in de lucht zal er heel weinig CO2 in het water oplossen.

De algen willen, als ze veel licht krijgen, veel meer. Dus er moet extra CO2 toegevoegd worden.

Als je 100% CO2 toevoegt, lost veel CO2 in het water op. Dit lijkt misschien een goed idee, maar wanneer CO2 in water oplost, verlaagt het de pH. Dit komt door het carbonaat evenwicht. Hierbij reageert CO2 met water en vormt HCO3 en H+. Teveel CO2 zorgt er dus voor dat de pH naar ongeveer 3 zal zakken. Veel te laag voor een normale algen soort. Ervaring leert dat een CO2 concentratie in de luchtstroom van 3-5% het best is.

Wanneer de algen groeien consumeren ze HCO3-, maar geen H+. Je zou verwachten

dat het water zuurder wordt als de algen groeien. Dit is niet zo. Dat komt omdat algen de OH- van de HCO3

- af strippen en alleen de CO2 gebruiken.

CO2 toevoegen kan lastig zijn. Het liefst zou je natuurlijk een gascilinder met CO2 opendraaien en met een constante snelheid toevoegen aan de luchtstroom van een pompje. Dan kun je makkelijk de verhouding CO2 en lucht instellen. Niet alle scholen hebben zo’n cilinder, deze zijn namelijk nogal prijzig.

Figuur 6 Schematische weergave van groei op licht

September 2018 19

Een andere manier om CO₂ te krijgen is door een alcoholfermentatie te gebruiken. Hierbij vul je een fles met water, suiker en gist. De gist gaat de suiker dan fermenteren tot ethanol en CO₂, net als bij bier brouwen. De CO₂ kun je dan in de FBR gebruiken. Pas wel op, gist zal namelijk de algen opeten als het de kans krijgt. Dus zorg ervoor dat er geen schuim van de fermentatie door het slangetje in de FBR kan komen. Doe dit door het slangetje te wassen in een flesje water voordat het gas de FBR in gaat.

Ook kun je met marmer CO2 maken. Hierbij druppel je HCl oplossing op stukken marmer. Daarbij treed de volgende reactie op: CaCO3 + 2 HCl CaCl2 + CO2. Het voordeel van zo’n opstelling is dat, wanneer je met een constante snelheid HCl druppelt, je met een constante snelheid CO2 maakt.

5.4 O₂ verwijderen

Zuurstof is een afvalstof voor de algen. Als het in te hoge concentratie voorkomt kan

het de groei van de algen beperken. Je wilt het dus weghalen. Dat is gelukkig erg

eenvoudig. De luchtbelletjes die de CO2 toevoegen zullen namelijk ook de zuurstof

uit het water strippen. Houd er wel rekening mee dat als je een lange buis algen hebt

het zou kunnen zijn dat halverwege de buis CO2 op is en de zuurstof tot schadelijke concentraties komt. Als dit halverwege de buis al gebeurt, zal in de tweede helft geen groei meer plaats vinden, omdat de condities te slecht zijn geworden. Dan is je halve reactor nutteloos.

5.5 Condities

September 2018 20

De algen hebben om te groeien een medium nodig. Dat is het water met nutriënten waar ze in leven. Dit kun je op verschillende manieren maken, maar er zijn een paar belangrijke punten waar je op moet letten. Het medium moet bijvoorbeeld fosfaat (voor ATP, DNA, RNA enz.), een stikstofbron zoals urea, ammonia of NO3 (voor aminozuren) en verschillende zouten zoals Mg2+ en Ca2+ bevatten. Hiernaast zie je een recept voor een medium. Hier vallen verschillende dingen op. Zo staat er een hele lijst met micronutriënten. Dit zijn stoffen die in extreem lage concentraties nodig zijn. Als je deze niet hebt op school, raad ik niet aan ze te kopen. Als je kraanwater gebruikt heb je namelijk bijna alle micronutriënten al toegevoegd.

Verder staat er HEPES onderaan. Hepes is een buffer, die houdt de pH constant. Wanneer algen groeien, zullen ze OH- of H+ produceren. Bij het hoofdstuk CO2 werd gezegd van niet. Dit komt door de consumptie van de stikstofbron. Of de pH stijgt of daalt hangt af het soort stikstofbron.

Hepes is helaas nogal duur (€1000 per kg). Andere buffers die je kunt gebruiken zijn Tris of een fosfaat buffer. Fosfaat wordt al toegevoegd, maar kan ook in hogere concentratie toegevoegd worden, zodat het ook als buffer dient. Denk hierbij aan concentraties van 5 tot 10 keer zo hoog. Als je een hier niet genoemde buffer wilt gebruiken, moet je eerst goed uitzoeken of de buffer door bacteriën afgebroken kan worden. De buffer lijkt de eerste of eerste twee dagen goed te werken, totdat het opgegeten wordt door bacteriën die bij de algen leven.

Het pH optimum van zoetwater algen ligt meestal tussen de 6 en de 7. Zoutwater algen leven liever bij een pH van 7 tot 8.

Als je niet de mogelijkheid hebt zelf medium te maken, kun je ook plantenvoeding gebruiken. Verdun de plantenvoeding zodat de N en P bron ongeveer dezelfde concentratie N of P per liter hebben. Vergeet niet dat hier nog een buffer aan toegevoegd moet worden. Wat we vaak zien is dat algen in een plantenvoeding medium 80-90% van de groeisnelheid hebben van algen in een officieel medium.

September 2018 21

Het laatste waar je rekening mee moet houden is de sedimentatie. Algen zinken langzaam naar de bodem. Wanneer alle algen op de grond liggen krijg je ze nooit allemaal verlicht. Ook willen ze niet goed groeien op die manier. Je moet dus voor stroming zorgen. Dit kun je combineren met de lucht toevoer door bijvoorbeeld een air-lift-loop te maken, zoals hiernaast te zien is. Ook kun je een aquariumpompje gebruiken of de reactor schudden.

September 2018 22

Opdracht 5: Ontwerp je eigen Fotobioreactor

Je hebt nu van alles over algen gelezen en weet hoe je ze moet groeien. Nu wordt het tijd om je eigen FBR te ontwerpen. Houd hierbij rekening met alle aspecten die behandeld zijn en wees realistisch. Tip: Op school is vaak al huis-tuin-en-keukengereedschap aanwezig dat je kunt gebruiken. Vermijd het gebruik van glasplaten, die kunnen breken.

September 2018 23

6. Experimenten doen met algen

6.1 Metingen

Wanneer je algen gaan groeien, wil je kunnen meten. Want zonder metingen geen experiment! Het belangrijkst om te meten is de biomassa concentratie. Dit kun je op verschillende manieren doen.

Onder een microscoop kun je in een telkamer cellen tellen. Dit kost veel tijd, maar is eenvoudig te doen. In een telkamer zie je onder een microscoop allemaal vierkantjes. Je kunt tellen hoeveel algen je gemiddeld per vierkantje hebt. Het vierkantje is eigenlijk een kleine kubus, waarvan je het volume weet. Op deze manier kun je het aantal cellen per liter uitrekenen. Eén algencel weegt ongeveer 0.05*10-9 gram. In die wetenschap kun je uitrekenen hoeveel gram alg je per liter hebt.

Een snellere manier om de biomassa concentratie te meten is door de absorptie op 750 nm te meten in een spectrofotometer. Zoals we bij Licht en algen gelezen hebben, hebben algen geen absorptie op 750 nm. Dat lijkt misschien vreemd, maar dat is juist heel handig. Wat we namelijk doen is de scattering meten. Dat is de verstrooiing van licht. Het is vergelijkbaar met een regendruppel. Die is van water, water heeft ook geen absorptie, maar toch kun je niet goed door een heftige regenbui heen kijken. Dat komt omdat het licht door de druppel gebroken wordt en daardoor verspreidt. Hetzelfde gebeurt in een algen sample op 750nm. Hoe meer algen, hoe meer spreiding. Dit wordt door de spectrofotometer afgelezen als absorptie. De verhouding tussen absorptie en concentratie is lineair tot een abs. van 0.8. Hierna is het verband niet meer lineair en niet bruikbaar. Wanneer je een abs. van meer van 0.8 meet, moet je het monster verdunnen.

Stel je verdunt een factor 10, meet een abs van 0.3 is je gecorrigeerde absorptie 10*0.3=3. Je absorptie maal 0.4 is je biomassa concentratie in gram per liter.

Nu je met een spectrofotometer bezig bent, kun je ook gelijk de absorptie van de chlorofyl (680nm) en carotenoïden (480nm) meten. Dan kun je een grafiek maken met je concentratie in tijd en een los assenstelsel met daarin de chlorofyl concentratie en de carotenoïde concentratie in de algen. Dit reken je als volgt uit:

September 2018 24

Wat je in deze formule doet is de totale absorptie van chlorofyl (of carotenoïde) vinden door te kijken hoeveel er op die absorptie golflengte wordt geabsorbeerd. De gemeten absorptie is niet alleen door de pigmenten, maar ook door de scattering.

Daarom wordt de scattering ervan afgetrokken. Vervolgens wordt het gedeeld door

de biomassa concentratie in je gemeten sample (abs750). Let wel op dat geen van de absorptie waardes boven de 0.8 komt.

6.2 Het experiment opzetten

Tijdens je experiment ga je waarschijnlijk verschillende condities met elkaar vergelijken. Om dit experiment op te zetten, heb je een bioreactor gebouwd, maar nu moeten er nog algen in. Deze algen kun je via www.wur.nl/lesmateriaal bestellen.

De algen die je nu krijgt zijn nog niet genoeg om een grote reactor mee op te starten. Hiervoor zal je ze eerst op moeten kweken. Je moet van de 20 mL 2-5g/L naar je reactor volume moeten schalen. Ik raad aan een volume kleiner dan 1 liter te gebruiken. Als je de 20 mL algen in één keer bij de 980mL in de reactor zou doen zullen de algen het niet overleven. Het beste is om de algen af en toe van volume te verdubbelen. Dit kun je doen als de algen een concentratie van ongeveer 3 gram per liter hebben bereikt. In een goede reactor kan dit al in 24-36 uur gebeuren.

Het kan dat algen eerst een LAG-fase vertonen. Dit is een periode van 0 tot 2 dagen waarbij de algen niet groeien, maar moeten wennen aan de nieuwe omgeving. Schrik hier niet van, het is heel normaal. Vervolgens gaan de algen verdubbelen. Zolang ze dit ongeremd kunnen doen, blijf je exponentiële groei zien. Dit duurt maximaal een halve dag, tenzij je een hele lage concentratie algen hebt.

Figuur 7 groei en een repeated batch systeem

September 2018 25

Na de exponentiële fase begint de bron gelimiteerd te raken. De bron is vrijwel altijd

licht, als je de alg van genoeg CO2 voorziet. Dit resulteert in lineaire groei. Dit kan

met moeilijke wiskundige modellen bewezen worden, maar dat zou een onderzoek voor een Profielwerkstuk op zich zijn.

Na een poosje hebben de algen een hoge concentratie bereikt. Vaak zit in het medium genoeg nutriënt om een concentratie van 4 á 5 gram alg per liter te halen. Hierna is de voeding op en kunnen ze niet verder groeien. Dit het punt waar de stress begint als je biodiesel wilt maken. Wil je dat niet (wat ik aanraad), dan moet je de cultuur hier verdunnen. Dit kan simpelweg door een groot deel water met algen weg te halen en te vervangen met vers medium. Verdun naar een concentratie van tussen de 1 tot 1.5 gram alg per liter. Lagere concentraties zijn onstabieler, aangezien de cultuur dan kwetsbaarder is. Laat de algen weer groeien en verdun weer. Doe dit 2 á 3 keer om de algen in steady-state te laten komen.

Nu kan het echte experiment beginnen. Laat de algen weer een paar keer tot een hoge concentratie groeien en verdun. Doe dit minimaal 2 keer. Dan kun je vanuit de 2 of meer hellingen de groeisnelheid bij je controle conditie uitrekenen.

Vervolgens kun je de condities aanpassen en opnieuw minimaal 3 groeicurves doen. Als je eerste van de 3 nieuwe curves sterk afwijkt van de andere twee, dan komt dat waarschijnlijk omdat de alg zich in deze periode aan moest passen. Of je dit ziet hangt af van de condities die je verandert.

Zoals je in figuur 7 kunt zien kost zo’n experiment veel tijd. Een curve duurt ongeveer 2 a 3 dagen, afhankelijk van de reactor. Ook kunnen veel scholieren niet in het weekend meten. Dus dan kun je 1 of 2 curves per week doen. Tijdens mijn eigen onderzoek ben ik 70 dagen achter elkaar in het lab van Wageningen University & Research geweest om te meten. Voor een onderzoek voor een Profielwerkstuk hoef je niet zoveel metingen te doen, maar houd er rekening mee dat je wel een aantal dagen bezig bent.

6.3 Verschillende reactoren in de praktijk

1. Vlakke plaat reactor

Links zie je de INFORS-reactor, deze gebruiken we op het lab voor onderzoek. Het is een air-lift-loop reactor met een lichtpad van 18mm. Rechts zie je een opgeschaalde variant van de vlakke plaat reactor.

2. Buizen reactor

Wanneer je de foto’s van AlgaePARC gezien hebt herinner je je waarschijnlijk plaatjes van groene buizen. Op deze schets is goed te zien hoe deze reactoren werken.

September 2018 27

3. Film bioreactor

In deze reactor wordt water omhoog gepompt en stroomt het als een dunne film weer naar beneden.

4. Biofilm reactor

Algen groeien hier niet in het water maar op een vast materiaal. Hier worden doeken voor gebruikt. Links en rechts ligt een tissue op water met nutriënten.

September 2018 28

5. School reactor

Deze reactor is makkelijk in de klas na te maken. Hij is goedkoop en prima voor onderzoek. Eigenlijk zie je hier een budget variant van de INFORS-reactor.

Opdracht 6: Variatie op vlakke platen

Wat is het voordeel van deze vlakke plaat reactor vergeleken met de andere reactoren?

September 2018 29

Antwoorden bij opdracht 6

Vlakke plaat reactoren hebben een hoge groeisnelheid, omdat ze veel licht

kunnen opvangen. Ook is het eenvoudig alle algen van CO2 te voorzien, omdat

vrijwel overal gebubbeld wordt. Het nadeel is dat ze erg duur zijn. Er is veel glas en buis nodig. Ook worden ze vies van binnen, omdat sommige algen aan de wanden gaan plakken. Deze algen zitten altijd in het donker of houden juist het licht tegen voor de rest.

Buizen reactoren hebben ook een groot licht oppervlak. Deze reactoren zijn

makkelijk op te schalen en minder duur dan de vlakke platen. Het nadeel is dat

CO2 toevoer en O2 afvoer lastig kan zijn, omdat in de buizen niet gebubbeld wordt. Schoonmaken is bij deze reactoren ook een groot probleem. Wanneer je een buizen reactor maakt met bubbels in de buizen zou dat al een grote verbetering zijn. Daar wordt nu mee getest.

Film bioreactoren zijn relatief goedkoop en vangen veel licht. De zuurstof kan ook goed weg. Maar verder kun je nauwelijks extra CO₂ toevoegen en het water moet de hele dag omhoog gepompt worden. Dat kost veel energie, zeker als je het aan het eind in vrije val laat vallen. Dit is verspilde energie. Verder is de kans op contaminatie heel groot.

Biofilm reactoren zijn ook relatief goedkoop en makkelijk op te schalen. Het grootste voordeel is dat het oogsten heel eenvoudig is, je hebt immers geen grote centrifuges nodig. Dat scheelt geld en energie. Nadelen zijn dat de algen achteraan geen licht krijgen en algen vooraan juist een overschot aan licht. Daarom moet er niet te veel licht op de biofilm vallen. Verder kan CO₂ niet goed de film in diffunderen.

School reactoren zijn prima reactoren voor onderzoek. Opschalen is onmogelijk, maar het licht komt uit een lamp en kan in de kosten lopen. Voor onderzoek heb je juist licht nodig dat je makkelijk kunt beheersen. Dan kun je tenminste zorgen dat het licht constant is bij al je experimenten.

September 2018 30