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Bioprozesstechnik 16 auf einen Streich – Mehrplatzkultivierungssystem für phototrophe (Mikro-)Organismen

Autor / Redakteur: Stephanie Raabe* und Henri Wernecke** / Dr. Ilka Ottleben

Bioprozesse mit phototrophen Organismen zu optimieren, ist vor allem eines – extrem zeitaufwändig. Die Möglichkeit mehrere Versuchsreihen mit vertretbarem technischen Aufwand, parallel und trotzdem reproduzierbar durchführen zu können, ist Voraussetzung für mehr Effektivität.

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Abb. 1: Für optimale Beleuchtung – Phytolux bietet acht verschieden farbige Hochleistungs-LED + UV-A (Ausschnitt)
Abb. 1: Für optimale Beleuchtung – Phytolux bietet acht verschieden farbige Hochleistungs-LED + UV-A (Ausschnitt)
(Bild: GMBU e.V.)

Phototrophe Mikro- und Makroorganismen, wie Cyanobakterien, Mikroalgen, Moose und Flechten bilden die Grundlage der wichtigsten globalen Nahrungsketten und Stoffkreisläufe auf der Erde. Aufgrund ihrer evolutionären Vielfalt besitzen sie ein unschätzbar großes wirtschaftliches Potenzial im Bezug auf energetisch und stofflich nutzbare Verbindungen. Lipide, Carotinoide, Vitamine, Phytohormone und Toxine sind nur einige Beispiele für funktionelle Substanzen, die diese Organismen unter definierten Umgebungsbedingungen bilden können.

Daher geraten phototrophe Zellen zunehmend in den Fokus der Grundlagen- und industriellen Forschung. Viele sekundäre Stoffwechselprodukte eignen sich als hochwertige Zusatzstoffe in der Lebens- und Futtermittelindustrie und können synthetische Substanzen in der Kosmetik, Pharmazie und Chemieindustrie ersetzen. Aufgrund des schnellen Wachstums der Organismen, beispielsweise bei Mikroalgen, können im Jahresdurchschnitt in unseren Breiten circa 150 t Biomasse pro Hektar und Jahr erzielt werden [1]. Tatsache ist aber, dass sich die Produktion häufig noch nicht rentabel realisieren lässt.

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Für eine effektive Biomasseanzucht benötigen phototrophe Organismen CO2 und Nährsalze sowie Licht als Energiequelle. Auch die Temperatur, der pH-Wert und mögliche Kontaminationen stellen wichtige Einflussgrößen in der Kultivierung und Produktbildung dar. Die Lichtversorgung ist dabei häufig ein limitierender Faktor. Naturgemäß wird das Licht von den Organismen sehr effektiv absorbiert, sodass mit wachsender Zelldichte die Strahlung schon innerhalb weniger Millimeter Eindringtiefe vollständig absorbiert wird [2].

Die aufwändige Kultivierung der Organismen erfolgt in den gemäßigten Breitengraden meist in geschlossenen Photobioreaktoren (PBR). In diesen Anlagen kann die Axenität oder zumindest ein geringer Kontaminationsgrad der Produktionsstämme aufrecht erhalten werden. Allerdings bedingen diese Reaktoren hohe Investitions- und Betriebskosten. Dennoch ist die Verfügbarkeit natürlicher Lichtquellen in den gemäßigten Breiten eingeschränkt und die Produkterträge können nicht mit denen kontinuierlich beleuchteter PBR-Systeme konkurrieren. Für die Bildung einiger funktioneller Substanzen, beispielsweise Algenlipide, ist es sogar zwingend erforderlich, spezielle Beleuchtungsregime dauerhaft zu realisieren. Um die Ökonomie der Produktionsprozesse trotzdem zu gewährleisten, müssen die Kultivierungsparameter gezielt auf die optimale Produktbildungsinduktion angepasst sein. Allerdings sind einzelne Photobioreaktoren für Screeningversuche und Parameteroptimierung aufgrund der hohen Varianz der Kulturparameter und der langen Kultivierungszeiten ineffektiv. Das folgende Beispiel zur Ermittlung des Optimums von drei Einflussgrößen verdeutlicht das Problem: Es gilt drei verschiedene Parameter, z.B. Temperatur, Licht und Begasung, anhand von jeweils drei Einstellungen im PBR zu vergleichen. Für die nötige Ergebnissicherheit werden die Versuche jeweils dreimal wiederholt. Allein dadurch ergeben sich 33 x 3 = 81 Versuche, die jeweils eine Dauer von sieben Tagen benötigen. Alles in Allem bedarf es somit einen Zeitraum von circa 1,5 Jahren, um diese Versuche durchzuführen. Mit nur einem Reaktor entsteht somit ein enormer Zeitaufwand, der mit den meisten Aufgabenstellungen nicht vereinbar ist.

Herausforderungen begegnen – mit einem Mehrplatzsystem

Das Entscheidende an einem effektiven Experimentalsystem ist die Möglichkeit mehrere Versuchsreihen mit vertretbarem technischen Aufwand, parallel und trotzdem reproduzierbar durchführen zu können. Die Lösung dafür bietet der Phytolux. Der Versuchsstand bietet mit 16 parallel und unabhängig voneinander betreibbaren Messplätzen eine effektive und kompakte Alternative zu herkömmlichen PBR. Die vollkommene Variabilität in Bezug auf Beleuchtung, Temperierung und Begasung ermöglicht eine hohe Versuchskapazität bei maximalen Freiheitsgraden für die experimentelle Praxis.

Der Phytolux besitzt 16 Kultivierungsplätze, die einzeln, paarweise oder in Versuchsgruppen genutzt werden können. Die Parameter Photonenflussdichte, Lichtspektrum, Temperatur und Begasung können somit für jeden einzelnen Platz individuell gesteuert werden. Die Kultivierungsgefäße beinhalten standardmäßig ein Volumen von 500 ml, können jedoch problemlos durch kleinere oder auch größere Volumina bis zu 1 l ersetzt werden. Somit wird die Kultivierung größerer Organismen, wie Pflanzensämlingen oder Stecklingen, ebenfalls realisiert. Das eingebaute Touchpad bietet eine einfache und übersichtliche Steuerung des Gerätes. Die Veränderung der relevanten Kultivierungsparameter wird minütlich gemessen und intern gespeichert. Die Erfassung, Auswertung der Messdaten und die Steuerung des Phytolux kann zusätzlich auch per PC erfolgen.

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