Mikroalgen Algenbasierte Bioprozesse mit LED-Technologien optimieren

LEDs zeigen vielfältige Anwendungen in der Mikroalgenforschung. Als interne Beleuchtungssysteme erhöhen sie die Produktivitäten in konventionellen Photobioreaktoren. Für die bessere Übertragbarkeit von Laborversuchen kann mit einem neuartigen LED-Schüttlersystem die Brücke zwischen Labor und Großversuch geschlagen werden.

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Universität Erlangen Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik technik

Technische Universität München

Die meisten Menschen haben am Strand schon einmal Bekanntschaft mit Makroalgen gemacht – dann nämlich wenn diese das Schlendern an der Wasserkante erschweren oder durch Zersetzungsprozesse die frische Seeluft ein eher strenges „Aroma“ annimmt. Aber Mikroalgen? Im Gegensatz zu den als Strandgut bekannten Makroalgen sind Mikroalgen photosynthetisch aktive eukaryotische Mikroorganismen. Diese Organismen kommen sowohl in Süß-, als auch Salzwasser vor und unterscheiden sich mit Größen von wenigen Mikrometern bis zu einigen 100 Mikrometern klar von makroskopischen Algenarten. Ähnlich wie Landpflanzen nutzen Mikroalgen Nährsalze, CO₂ und Sonnenlicht zur Bildung von Biomasse. Die aktive Nutzung des Klimagases CO₂ zur Bildung von Biomasse trägt zu einer positiven Klimabilanz von Algenbasierten Herstellungsprozessen bei.

Diese Genügsamkeit macht Mikroalgen attraktiv für die Industrie und Forschung: Sie lassen sich unter geringem technischen sowie materiellem Aufwand in Gegenden kultivieren, die für klassischen Ackerbau nicht geeignet sind und so in keiner Landnutzungskonkurrenz zur Nahrungsmittelindustrie stehen [1]. Eine im Vergleich zu Landpflanzen hohe Produktivität, die bezüglich Biomasseausbeute bis zu zehnfach höher liegt als bei Landpflanzen macht Mikroalgen sehr attraktiv für die biotechnologische Kultivierung [3]. Die Anwendungen sind dabei vielfältig, von Massenprodukten wie Biotreibstoffen oder als biologischer Energieträger beispielsweise als Futtermittelzusatz bis zur Synthese hochkomplexer Stoffe für die Kosmetik- oder Arzneimittelindustrie.

Mit schätzungsweise 150 000 bis zu 750 000 Arten, von denen bisher nur etwa 50 000 identifiziert wurden und davon wiederum nur etwa 20 technisch genutzt werden, bietet die Biodiversität der Mikroalgen noch ungeahnte und vielseitige Möglichkeiten zum industriellen Einsatz [5].

Individuelle Anpassung der Kultivierungsbedingungen

Bevor es allerdings zu einem biotechnologischen Einsatz kommen kann, muss jeder Einsatz im Labormaßstab evaluiert und entwickelt werden. Für die technische Auslegung eines auf Mikroalgen basierenden Produktionsweges ist es zwingend erforderlich, die optimalen Wachstumsbedingungen für den jeweiligen Algenstamm zu untersuchen. Über Screeningversuche in Hochdurchsatzverfahren mit nur wenigen Millilitern Volumen über Schüttelkolbenversuche bis hin zu industrienahen Kultivierungen im Litermaßstab gilt es, unter kontrollierbaren Bedingungen die jeweils optimalen Medien und Klimabedingungen für einen Algenstamm zu ermitteln, sodass dieser mit möglichst maximaler Ausbeute betrieben werden kann.

Für viele Umweltisolate ist die beste Kultivierungsbedingung sehr ähnlich mit derjenigen an ihrem Isolationsstandort. Eine Mikroalge aus einem warmen Süßwassersee aus einer tropischen Region wird in einem Salzwassermedium in Nordeuropa nur schwer wachsen. Wichtige Einflussfaktoren sind hierbei die Temperatur, der pH-Wert, Salzgehalt und vor allem die Sonneneinstrahlung bzw. das jeweilige Sonnenlichtspektrum. Während die erstgenannten Faktoren im Labormaßstab sehr leicht herzustellen sind, ist dies mit der Sonneneinstrahlung nicht so einfach der Fall. Je nach Standort auf der Welt gibt es erheblich variierende Bestrahlungsstärken und Lichtspektren, die für eine laborseitige Untersuchung einer Mikroalge berücksichtigt werden müssen.

Produktionssysteme als limitierender Faktor

Als eine der ältesten Organismen auf der Erde, die sich an die unterschiedlichsten Habitate anpassen mussten, bieten Algen eine ganze Reihe von interessanten bioaktiven Stoffen die z.B. antivirale, antimikrobielle, entzündungshemmende und zytostatische Wirkung aufweisen können [2]. Trotz eines großen Potenzials dieser neuartigen Wirkstoffe ist deren kommerzielle Nutzung durch einen Mangel an geeigneten Produktionssystemen erschwert. Zum einen stellt die meist nur geringe Menge an solchen biologischen Substanzen ein Problem bei der Strukturaufklärung, bei klinischen Studien und der Produktion dar. Zum anderen müssen solche Produkte in kontrollierbaren und wettbewerbsfähigen Prozessen hergestellt werden. Darüber hinaus, sind monoseptische Kultivierungen in vielen heutzutage benutzten Photobioreaktoren nicht zu realisieren.

Dieses Problem wurde bereits 2003 am Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik, FAU Erlangen aufgegriffen und durch die Einführung der „Medusa“-Photobioreaktoren gelöst (s. Abb. 1). Diese thermisch sterilisierbaren, 10-, 25- oder 100-L-Airlift-Schlaufen-Reaktoren mit externer Beleuchtung ermöglichen ein einfaches Scale-Up mit effektivem CO₂/O₂-Austausch und erlauben dadurch maximale Ausbeuten unter optimaler Prozesssteuerung (Lichteintrag, Begasung) [7]. Diese Photobioreaktoren eignen sich zur photoautotrophen/mixotrophen Kultivierung verschiedener Spezies, z.B. Chlorophyta, Haptophyta, Cyanophyta und Dinophyta.

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