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

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Beleuchtung, Temperatur und Begasung im Fokus

Die Beleuchtungssituation ist einer der essentiellen Faktoren bei der Kultivierung phototropher Organismen. Für diesen Zweck ist jede einzelne der 16 Versuchskammern des Phytolux mit vier symme­trisch um das Kultivierungsgefäß angeordneten LED-Platinen ausgerüstet. Diese sind jeweils mit neun verschiedenfarbigen Hochleistungs-LED bestückt, die sich unabhängig voneinander dimmen lassen. Zusammen mit den verspiegelten Seitenwänden der Versuchskammern wird somit eine optimale und energieeffiziente Anregung der Versuchsorganismen ermöglicht. Zusätzlich bietet das System die Möglichkeit der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht, um spezielle Stoffwechselvorgänge zu stimulieren. Die Wellenlänge als auch die Photonenflussdichte der LED lassen sich während des Versuches pro­blemlos variieren und können auch zu temporär wechselnden Beleuchtungs­sequenzen zusammengestellt werden.

Die Temperatur in den einzelnen Versuchskammern lässt sich unabhängig im Bereich zwischen 15 °C und 35 °C regeln. Diese Regelung erfolgt über Peltierelemente am Boden der Kammern. In Abhängigkeit von den vorherrschenden Betriebsbedingungen und Sollwertvorgaben wird automatisch zwischen Heizen und Kühlen umgeschaltet. Die Sonden zur Messung der Temperaturen befinden sich in Tauchhülsen aus Edelstahl und können zum Autoklavieren der Kulturgefäße einfach entnommen werden.

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Zur Regelung der Begasung in den Versuchsmedien dienen zwei Massenflussregler. Diese versorgen den Organismus mit Kohlendioxid und/oder einem Trägergas, beispielsweise Luft oder Stickstoff. Zur Auswahl stehen dabei verschiedene Betriebsmodi. Eine sequenzielle Einzelbegasung ermöglicht die aufeinander folgende Versorgung ausgewählter Plätze, wobei Gasvolumenstrom und Begasungsdauer individuell festgelegt werden können. Dieser Modus eignet sich ideal zur Bilanzierung des CO₂-Eintrages. Der zweite Modus bietet eine sequenzielle Versuchsgruppenbegasung, sodass definierte Gruppen nacheinander oder parallel mit Gas versorgt werden können. Ein dritter Modus beinhaltet die parallele Gesamtbegasung des Systems. Alle Versuchsplätze werden demnach mit der gleichen Begasung oder nach einer vorgegebenen Sequenz begast. Die Gaszufuhr erfolgt durch einen eingebauten Begasungsring, der neben dem gleichmäßigen Nährstoffeintrag auch für eine scherungsarme pneumatische Homogenisierung der Versuchsorganismen sorgt. Zusätzlich zu den Kultivierungsabläufen besitzt der Phytolux einen Probenahmemodus. Wird dieser auf einem Kultivierungsplatz aktiviert, erfolgt automatisch eine kurze Begasungsphase und somit die Homogenisierung der gewünschten Kultur. Eine schnelle und repräsentative Probennahme ist somit garantiert.

Viele Möglichkeiten, ein Gerät und keine Grenzen

Der Phytolux bietet die Grundlage zur Kultivierung einer Vielzahl von Organismen. Beispiele wie Mikroalgen, Cyanobakterien, In-vitro-Kulturen, Wasserpflanzen, Moose oder Flechten verdeutlichen das weite Spektrum der möglichen Anwendungen. Neben herkömmlichen Screeningversuchen zu Produktbildungspotenzialen dient das System zur Stammhaltung, für Untersuchungen zur Wachstums­optimierung als auch zur Optimierung von Betriebsparametern zur Produktmaximierung und zur Lichtstimulation höherer Organismen, z.B. Insekten. Da die Kulturflaschen autoklavierbar sind, stellen auch Untersuchungen unter sterilen, axenischen Bedingungen kein Problem dar. Der Phytolux vereint die Eigenschaften und Möglichkeiten von 16 einzelnen Photobioreaktoren, allerdings mit einem enormen Vorteil, der sich anhand des bereits angeführten Einsatzbeispiels verdeutlichen lässt. Im Falle der Untersuchung dreier Parameter, zu drei verschiedenen Betriebspunkten mit jeweils drei Wiederholungen ergeben sich auch hier 81 Einzelversuche zu je sieben Tagen. Verteilt man diese Versuche jedoch auf 16 Kultivierungsplätze ergibt sich ein benötigter Zeitraum von nur ca. fünf Wochen. Die Vorzüge zum herkömmlichen PBR sind somit offensichtlich: eine enorme Zeit­ersparnis, verbesserte wissenschaftliche Reproduzierbarkeit und größere Ergebnissicherheit dank paralleler Versuchsführung.

Literatur:

[1] Pulz, O.: Bioenergie – Treibstoffe aus Algen, Das schwarze Gold der Mikroalge, Fachartikel, labor&more, 04/2009

[2] Matthes, S.; Matschke, M; Cotta, F.; Grossmann, J.; Griehl, C.: Reliable production of microalgae biomass using a novel microalgae plattform, Journal of Applied Phycology, 2015, 27, 1755-1762.

* S. Raabe: GMBU e.V., 06120 Halle,

* *H. Wernecke: Ventury GmbH, 01309 Dresden

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