Microalgen worden al decennialang op kleine schaal vooral in Azië en Noord-Amerika gekweekt, meestal voor toepassingen in de diervoeding en de voedingssupplementen. Het gaat hier om een klein aantal soorten zoals Spirulina en Chlorella. Op dit moment wordt wereldwijd maar zo’n 10.000 tot 20.000 ton gedroogde algen per jaar geproduceerd. Er is een viertal verschillende kweeksystemen in gebruik bij algenkwekers.
Open vijvers
De open vijvers of raceways zijn ondiepe, ringvormige kanalen waarin menging plaatsvindt met behulp van schoepenwielen. Wereldwijd zijn dit nu de meest toegepaste kweeksystemen. Een belangrijk voordeel van dit eenvoudige ontwerp zijn de relatief lage kosten. Daar staat tegenover dat zo’n open, grote vijver minder goed te controleren is dan een gesloten kweeksysteem. Er verdampt water en ook is dit systeem gevoelig voor infecties, waardoor de keuze van de te kweken algensoort zich beperkt tot weerbare, snelgroeiende soorten.
Of algenvijvers op de langere termijn het meest kosteneffectieve kweeksysteem zullen blijven is de vraag. Op basis van theoretische berekeningen kunnen algen via fotosynthese maximaal tien procent van de energie uit zonlicht benutten en omzetten in biomassa. De rest van de lichtenergie gaat verloren als warmte. In de praktijk ligt het percentage benutte zonne-energie echter veel lager. Voor een algenvijver is dit slechts 1,5 procent. Dit komt onder andere doordat algen in de bovenste laag van de vijver blootgesteld worden aan een relatief hoge lichtintensiteit. De overmaat aan geabsorbeerd licht in deze laag wordt niet gebruikt om biomassa te maken, maar wordt omgezet in warmte. Overigens is zelfs die beperkte efficiëntie nog altijd bijna twee keer zoveel als bij ‘gewone’ landbouwgewassen.
Algenkweek in zonniger streken is potentieel veel productiever, mits de benutting van zonne-energie efficiënter wordt. Dat kan onder andere door de alg minder licht te laten absorberen, bijvoorbeeld door de antennegrootte van algen met behulp van genetische modificatie te verkleinen. Door die verminderde lichtabsorptie zal licht ook dieper in de vijver doordringen. Daardoor zullen ook de algen op grotere diepte zonlicht voor fotosynthese ontvangen. Een mogelijk nadeel van deze methode is dat de genetisch veranderde algen moeten concurreren met gewone, wildtype algen.
Horizontale buisreactoren
Een horizontale buisreactor is een gesloten kweeksysteem, opgebouwd uit een enkele laag horizontale buizen. Zo’n buisreactor laat meer controle toe en is per vierkante meter productiever dan een vijver. Een belangrijk nadeel van dit ontwerp is dat de lichtintensiteit die op de met algen gevulde buis valt, net als in een vijver, erg hoog is. Algen kunnen hier slecht tegen en groeien dan langzamer, waardoor de productiviteit afneemt. Een ander nadeel van buisreactoren is de energie die nodig is voor het rondpompen van de algensoep. Ook de gasuitwisseling is bij deze systemen niet optimaal. Je moet moeite doen om koolzuurgas erin te krijgen en zuurstof hoopt makkelijk op, wat bij hoge concentraties schadelijk is voor algen. Daarnaast liggen de constructiekosten hoger dan bij de relatief simpele vijvers.
Gestapelde horizontale buisreactoren
In een gestapeld horizontaal systeem is de reactor opgebouwd uit meerdere lagen buizen die verticaal op elkaar zijn geplaatst. Ze vormen daarmee een soort hekwerk van buizen. Dit type reactor heeft deels dezelfde voor- en nadelen als de enkele laag buisreactor.
Een belangrijk verschil is dat het probleem van een te hoge lichtintensiteit hier veel minder speelt. Dit komt doordat de verticaal gestapelde buizen als het ware het zonlicht moeten verdelen over een grotere invangende oppervlakte, waardoor de lichtintensiteit op de cultuur afneemt. De algen kunnen het licht dan efficiënter gebruiken waardoor de productiviteit hoger is dan in de enkele laag buisreactor.
Vlakke plaat reactoren
Dit zijn gesloten reactoren opgebouwd uit series vlakke, parallelle platen. Deze systemen zijn in theorie het meest productief. Er is geen overmatige ophoping van het voor algen giftige zuurstof en ook is de lichtintensiteit niet te hoog.
Nadeel van dit systeem is dat er relatief veel energie nodig is voor het mengen van voedingsstoffen en om te voorkomen dat de algen naar de bodem zakken. Hierdoor is het energieverbruik hoog.
Daarnaast is het toevoegen van extra CO2 wat moeilijker en ook is dit systeem wat lastiger op te schalen.
Welke van de vier voorgenoemde systemen nu uiteindelijk het meest rendabel en duurzaam is, is onzeker. Omdat een aantal jaar geleden steeds meer bedrijven en overheden geïnteresseerd raakten in het antwoord op deze vraag, maar het onderzoek zich op dat moment vooral op laboratoriumschaal afspeelde, is het algenonderzoek in Wageningen opgeschaald op het Algae Production and Research Centre, kortweg AlgaePARC. AlgaePARC moet een brug slaan tussen kleinschalig laboratoriumonderzoek en grootschalige productie.
Verbeteringen die door wetenschappers worden bedacht kunnen op AlgaePARC worden getest. Daarnaast zullen de onderzoekers op deze locatie de vier belangrijkste algenkweeksystemen vergelijken met betrekking tot kosten, kweekefficiëntie en duurzaamheid. Het nu nog meest gebuikte kweeksystem, de open kweekvijver, zal daarbij als referentie dienen. Elk kweeksysteem heeft specifieke voor- en nadelen, maar uiteindelijk gaat het om de maximale productie van hoogwaardige algen tegen een zo laag mogelijke prijs gedurende het hele jaar.
Naast het gebruikte type kweeksysteem is het ook belangrijk de condities van het kweekproces zodanig te manipuleren dat een optimale productie van het gewenste algenproduct, bijvoorbeeld oliën, wordt bereikt. Traditioneel laten kwekers de algen groeien tot er voldoende algenbiomassa is verkregen. Vervolgens wordt de hoeveelheid voedingsstoffen verminderd, waardoor de alg stopt met groeien en meer olie gaat produceren. Meestal zijn dit twee processen die kwekers achter elkaar uitvoeren: eerst neemt de biomassa snel toe, daarna hoopt zich in die biomassa heel langzaam vet op. Een van de doelen van de onderzoekers op het AlgaePARC is het ontwerp van een systeem dat van meet af aan een optimale mix van vet of zetmeel produceert in plaats van botweg zo veel mogelijk biomassa. Om de productiekosten zo laag mogelijk te houden wordt dit systeem gevoed met nutriënten verkregen uit reststromen.
AlgaePARC heeft zich een aantal concrete doelen gesteld. Binnen vijf jaar willen de onderzoekers een goede vergelijking kunnen maken van verschillende productiesystemen op fotosynthetische efficiëntie, productiviteit, energiegebruik, gebruik van nutriënten en water, robuustheid en mogelijkheden om de systemen op te schalen naar ‘algenboerderijniveau’. Daarnaast moeten de systemen een fotosynthetische efficiëntie bereiken van meer dan 3% van het zonlicht, en dat het hele jaar door kunnen handhaven in de buitenlucht. Het zijn een paar van de noodzakelijke stappen die nodig zijn om van een wetenschappelijke belofte naar een commercieel productiesysteem te komen.