Die Mikroalge Emiliania huxleyi ist einer der wichtigsten Kalkproduzenten der Weltmeere. Sie bildet mikroskopisch kleine Kalkpl\u00e4ttchen. Dieser biogene Calcit unterscheidet sich von fossilem Kalk vor allem durch seine filigrane dreidimensionale Struktur. Ioanna Hariskos und weitere Wissenschaftler am Karlsruher Institut f\u00fcr Technologie (KIT) produzieren die biogenen hochkomplexen Kalkpartikel und untersuchen ihre Biomineralisation. Wegen ihrer einzigartigen physiko-chemischen Eigenschaften sind die Mikrokalkpl\u00e4ttchen sehr interessant f\u00fcr industrielle Anwendungen. Wie der Prozess der biogenen Kalkbildung auf zellfreie Systeme \u00fcbertragen werden kann, wird derzeit im Kooperationsprojekt \u201eZellfreie Biomineralisation am Beispiel von Calciumcarbonat: Ein Weg zur in-vitro Synthese von hochstrukturierten Komposit-Materialien\u201c erforscht.<\/p>\n
Algen produzieren viele Grundstoffe wie etwa Farbstoffe, unges\u00e4ttigte Fetts\u00e4uren, Polysaccharide und Antioxidanzien f\u00fcr die pharmazeutische und die Lebensmittelindustrie. Algen sind allerdings eine bislang wenig genutzte nat\u00fcrliche Rohstoffquelle. Die in fast allen Weltmeeren vorkommende Mikroalge Emiliania huxleyi, eine einzellige Rotalge, ist zwar nur eine von etwa 5.000 verschiedenen Phytoplankton-Arten. Sie macht jedoch bis zu 80 Prozent der Phytoplankton-Gesamtmasse aus und geh\u00f6rt zu den interessantesten Lebewesen unserer Ozeane. Denn ihre F\u00e4higkeit, durch Photosynthese erhebliche Mengen Kohlendioxid durch Kalkbildung zu binden*, stellt einen wichtigen Beitrag zum \u00d6kosystem und f\u00fcr die (Meeres-)Wissenschaftler ein \u00e4u\u00dferst interessantes Forschungsgebiet dar. Dieser Calcit-bildenden Alge (Calcit: kristalline Form des Kalks) ist es auch zu verdanken, dass wir die Naturspektakel der Kalkfelsen auf R\u00fcgen und bei Dover bewundern k\u00f6nnen.<\/p>\n
*Durch diesen als organische Kohlenstoffpumpe bezeichneten Prozess wird die CO2-Konzentration im Oberfl\u00e4chenwasser erniedrigt, sodass CO2 aus der Atmosph\u00e4re aufgenommen werden kann (Anm.d.R., nach Informationen des Alfred-Wegener-Instituts)<\/p>\n
Ioanna Hariskos, Doktorandin am Karlsruher Institut f\u00fcr Technologie (KIT), Bereich Bioverfahrenstechnik am Institut f\u00fcr Bio- und Lebensmitteltechnik, betrachtet Emiliania huxleyi aus einem ganz anderen Blickwinkel: \u201eDiese biogenen Kalkpartikel, welche die Mikroalge produziert, verf\u00fcgen \u00fcber hochkomplexe, dreidimensionale Strukturen, die man weder durch Ausf\u00e4llen von Kalkmilch noch durch Zerkleinern von abgebautem Kalkstein erreichen kann. Daher k\u00f6nnen die Calcitpartikel aus Mikroalgen ein au\u00dfergew\u00f6hnliches und zukunftstr\u00e4chtiges Potenzial f\u00fcr industrielle Anwendungen beherbergen\u201c, erkl\u00e4rt die Biotechnologin, die sich nach ihrem Studium an der Universit\u00e4t Uppsala fortbildete.<\/p>\n
Jeder dieser einzelligen Organismen weist an seiner Oberfl\u00e4che einen Mantel von 15 bis 120 Kalkpl\u00e4ttchen, sogenannte Coccolithen, mit teilweise hochfiligranen Strukturen auf. Die einzelnen, etwa 3 \u00b5m kleinen Coccolithen \u00e4hneln feinen Waschsieben, deren zentrale R\u00f6hre nach au\u00dfen von einem gebogenen Schirm umgeben ist.<\/p>\n
Die einzelnen Kristalle verzahnen sich untereinander und bilden so kompakte, robuste Strukturen. Das kontrollierte Kalkkristall-Wachstum im Zentrum der Alge, die Biomineralisation, ist ein hoch organisierter Prozess. \u201eDoch gerade diese hochkomplexen Kalkpl\u00e4ttchen, die im Gegensatz zu fossilem Kalk durch au\u00dfergew\u00f6hnliche dreidimensionale Formen auffallen, haben besondere chemische und physikalische Eigenschaften\u201c, erkl\u00e4rt die Wissenschaftlerin.<\/p>\n
Fossiler Kalk findet aufgrund seiner vielf\u00e4ltigen Eigenschaften schon seit jeher seine Anwendung in weitgef\u00e4cherten Industriezweigen. \u201eBei der Suche nach innovativen Produkten sind dar\u00fcber hinaus neue Materialeigenschaften w\u00fcnschenswert. Deshalb entstand die Idee, Calcitpartikel mit ihrer au\u00dfergew\u00f6hnlichen und hochfiligranen dreidimensionalen Struktur, die bei technischen Partikeln nicht vorhanden ist, aus gez\u00fcchteten Mikroalgen zu synthetisieren\u201c, erkl\u00e4rt Ioanna Hariskos das Ziel des Verbundprojekts \u201eZeBiCa\u00b2 – Zellfreie Biomineralisation am Beispiel von Calciumcarbonat\u201c am KIT. Das Projekt wird vom Bundesministerium f\u00fcr Bildung und Forschung (BMBF) gef\u00f6rdert.<\/p>\n
Voraussetzung f\u00fcr eine innovative Charakterisierung der Partikel in Hinblick auf industrielle Anwendung und zellfreie Synthese ist ein geeignetes Kultivierungsverfahren, um eine ausreichend gro\u00dfe Masse an solchen Partikeln zu gewinnen. \u201eDabei geht es zun\u00e4chst um die Untersuchung, was die Zelle ben\u00f6tigt, um Biominerale bilden zu k\u00f6nnen.” Hariskos gelang im Rahmen des BMBF-gef\u00f6rderten Projektes die Entwicklung eines optimierten Photobioprozesses mit Fokus auf Coccolithen-Bildung.<\/p>\n
Algenst\u00e4mme k\u00f6nnen hinsichtlich ihrer morphologischen Struktur gro\u00dfe Unterschiede aufweisen. F\u00fcr die Partikelproduktion wurde ein Stamm mit starkem Kalzifizierungsgrad ausgew\u00e4hlt. Bei diesem sitzen die Einzelkristalle so dicht aneinander, dass keine L\u00fccken mehr erkennbar sind, sondern ein geschlossener Mantel um die Zelle sichtbar ist. \u201eEs war eine Herausforderung, eine Kultivierung des geeignetes Stamms unter dem Aspekt der h\u00f6heren Zelldichte und nicht-nat\u00fcrlichen Bedingungen zu entwickeln\u201c, blickt die Wissenschaftlerin, die ihr Masterstudium an der RWTH Aachen in Biotechnologie mit Vertiefungsrichtung Verfahrenstechnik ablegte, auf den schweren ersten Schritt zur\u00fcck. \u201eLiegen die Zellen in einer h\u00f6heren Dichte vor als in ihrer nat\u00fcrlichen Umgebung, dem Meerwasser, so k\u00f6nnen sie sich gegenseitig beeinflussen und auch die hohe Coccolithen-Konzentration kann st\u00f6rend wirken.\u201c<\/p>\n
Es mussten optimale Prozessbedingungen ermittelt werden, um eine hohe Ausbeute zu erzielen. Gleichzeitig aber musste eine Sch\u00e4digung der Kristalle vermieden werden. Als Substrat setzen Hariskos und ihr Team modifiziertes k\u00fcnstliches Meerwasser ein. Zus\u00e4tzlich ben\u00f6tigt die Alge zur Photosynthese Licht. \u201eWir haben eine spezielle und bew\u00e4hrte LED-Technologie im Einsatz, die von unserem Institut entwickelt wurde und bereits seit einiger Zeit weltweit Anerkennung findet. Dieser LED-Mantel produziert weniger W\u00e4rme als Halogen- oder andere Leuchtquellen\u201c, beschreibt die Wissenschaftlerin die Vorteile des am KIT entwickelten Leuchtdioden-Mantels.<\/p>\n
Im Bioreaktor k\u00f6nnen die Zellen somit rund um die Uhr mit Licht versorgt und die Lichtintensit\u00e4t der Kulturdichte entsprechend angepasst werden. Die Optimierung der Kultivierung erfolgte aufgrund der Variation verschiedener Prozessgr\u00f6\u00dfen in verschiedenen Bioreaktoren. Zur Analyse wurden t\u00e4glich Parameter wie Zellkonzentration, Gesamtalkalinit\u00e4t und die Konzentrationen an gel\u00f6stem anorganischen Kohlenstoff und Salzen herangezogen.<\/p>\n
\u201eW\u00e4hrend sich in der Natur 1.000 bis maximal 100.000 Zellen der Kalkalgen pro Milliliter Meerwasser befinden, konnten wir eine Z\u00fcchtung bis zu 100 Millionen Zellen pro Milliliter erreichen\u201c, erl\u00e4utert Hariskos. Die erfolgreiche Entwicklung eines validen Produktionsprozess im 2-l-Bioreaktor mit ausgefeilter Mess- und Regeltechnik und definierten Umgebungsbedingungen stellt den Meilenstein der vergangenen zwei Jahre im Team Hariskos dar. \u201eErstmals konnten wir um den Faktor 10.000-100.000 h\u00f6here Zelldichten erreichen, so dass jetzt Coccolithen-Ausbeuten bis im g\/l-Ma\u00dfstab erreicht werden.\u201c Das ist ein bemerkenswerter Fortschritt, wenn man bedenkt, dass die Industriepartner beispielsweise f\u00fcr das Anwendungsfeld als Farbtr\u00e4ger gro\u00dfe Materialmengen ben\u00f6tigen. Um eine noch intensivere Charakterisierung der weitgehend noch unerforschten, aber potenzialbergenden Partikel zu erreichen und eine gro\u00dftechnische Produktion zu erm\u00f6glichen, plant Hariskos den Prozessma\u00dfstab zu vergr\u00f6\u00dfern und ein geeignetes Abtrennverfahren zu integrieren.<\/p>\n
Charakterisierungen wie die mittels Rasterelektronenmikroskopie, Wei\u00dfwertbestimmung, Bestimmung der spezifischen Oberfl\u00e4che und Porengr\u00f6\u00dfenverteilung und chemische Analysen k\u00f6nnten dann noch ausgedehnt werden. Denn f\u00fcr Anwendungen in der Farb- und Oberfl\u00e4chenindustrie m\u00fcssen Parameter wie Partikelgr\u00f6\u00dfe, spezifische Oberfl\u00e4che und Wei\u00dfwert ber\u00fccksichtigt werden. Hariskos konnte wei\u00dfes Coccolithen-Pulver mit einem geringen Gelbstich gewinnen. Das Potenzial f\u00fcr einen m\u00f6glichen Einsatz in Farbanstrichen muss noch getestet werden. Coccolithen lassen aufgrund ihrer definierten Gr\u00f6\u00dfe und der au\u00dfergew\u00f6hnlichen, hochfiligranen Struktur hoffen, die Farb- und Glanzeigenschaften beeinflussen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n
Sehr interessant f\u00fcr die industrielle Applikation sind Kalk-Nanopartikel beispielsweise in der Herstellung von Spezialpapieren oder auch Schleifpapieren. \u201eVermutlich ist die chemische Komposition der Kalkpartikel beeinflussbar und die jeweils erzielten Eigenschaften, wie zum Beispiel erh\u00f6hte Abrasivit\u00e4t oder Scheuerfestigkeit, lassen sich an das industrielle Einsatzgebiet anpassen\u201c, erl\u00e4utert die Wissenschaftlerin das Potenzial f\u00fcr die Verwendung in innovativen Produkten. Eine weitere bemerkenswerte F\u00e4higkeit der Partikel ist die Doppelbrechung von Licht. Dies kann in der Optik von Nutzen sein. Jedoch ist hier Reinheit oberstes Gebot; da die Partikel biologisches, organisches Material enthalten, sind hierzu weiterf\u00fchrende wissenschaftliche Arbeiten erforderlich. \u201eDie biogenen Partikel beherbergen ein noch unersch\u00f6pftes Potenzial – auch im Hinblick auf weitere medizinische Anwendungen\u201c, verr\u00e4t die Bioverfahrenstechnikerin.<\/p>\n
Hariskos hat mit der Produktion einer ausreichenden Menge an biogenen Kalkpartikeln die T\u00fcr ge\u00f6ffnet f\u00fcr die n\u00e4chsten Schritte, das Scale-up und die Charakterisierung in Zusammenarbeit mit Industriepartnern. Gelingt es, Mittel f\u00fcr ein Anschlussprojekt einzuwerben, kann Ioanna Hariskos diese vielversprechenden und zukunftstr\u00e4chtigen wissenschaftlichen Pl\u00e4ne in die Realit\u00e4t umsetzen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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