LEDs zeigen vielf\u00e4ltige Anwendungen in der Mikroalgenforschung. Als interne Beleuchtungssysteme erh\u00f6hen sie die Produktivit\u00e4ten in konventionellen Photobioreaktoren. F\u00fcr die bessere \u00dcbertragbarkeit von Laborversuchen kann mit einem neuartigen LED-Sch\u00fcttlersystem die Br\u00fccke zwischen Labor und Gro\u00dfversuch geschlagen werden.<\/p>\n
Die meisten Menschen haben am Strand schon einmal Bekanntschaft mit Makroalgen gemacht \u2013 dann n\u00e4mlich wenn diese das Schlendern an der Wasserkante erschweren oder durch Zersetzungsprozesse die frische Seeluft ein eher strenges \u201eAroma\u201c annimmt. Aber Mikroalgen? Im Gegensatz zu den als Strandgut bekannten Makroalgen sind Mikroalgen photosynthetisch aktive eukaryotische Mikroorganismen. Diese Organismen kommen sowohl in S\u00fc\u00df-, als auch Salzwasser vor und unterscheiden sich mit Gr\u00f6\u00dfen von wenigen Mikrometern bis zu einigen 100 Mikrometern klar von makroskopischen Algenarten. \u00c4hnlich wie Landpflanzen nutzen Mikroalgen N\u00e4hrsalze, CO2 und Sonnenlicht zur Bildung von Biomasse. Die aktive Nutzung des Klimagases CO2 zur Bildung von Biomasse tr\u00e4gt zu einer positiven Klimabilanz von Algenbasierten Herstellungsprozessen bei.<\/p>\n
Diese Gen\u00fcgsamkeit macht Mikroalgen attraktiv f\u00fcr die Industrie und Forschung: Sie lassen sich unter geringem technischen sowie materiellem Aufwand in Gegenden kultivieren, die f\u00fcr klassischen Ackerbau nicht geeignet sind und so in keiner Landnutzungskonkurrenz zur Nahrungsmittelindustrie stehen [1]. Eine im Vergleich zu Landpflanzen hohe Produktivit\u00e4t, die bez\u00fcglich Biomasseausbeute bis zu zehnfach h\u00f6her liegt als bei Landpflanzen macht Mikroalgen sehr attraktiv f\u00fcr die biotechnologische Kultivierung [3]. Die Anwendungen sind dabei vielf\u00e4ltig, von Massenprodukten wie Biotreibstoffen oder als biologischer Energietr\u00e4ger beispielsweise als Futtermittelzusatz bis zur Synthese hochkomplexer Stoffe f\u00fcr die Kosmetik- oder Arzneimittelindustrie.<\/p>\n
Mit sch\u00e4tzungsweise 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 Biodiversit\u00e4t der Mikroalgen noch ungeahnte und vielseitige M\u00f6glichkeiten zum industriellen Einsatz [5].<\/p>\n
Bevor es allerdings zu einem biotechnologischen Einsatz kommen kann, muss jeder Einsatz im Laborma\u00dfstab evaluiert und entwickelt werden. F\u00fcr die technische Auslegung eines auf Mikroalgen basierenden Produktionsweges ist es zwingend erforderlich, die optimalen Wachstumsbedingungen f\u00fcr den jeweiligen Algenstamm zu untersuchen. \u00dcber Screeningversuche in Hochdurchsatzverfahren mit nur wenigen Millilitern Volumen \u00fcber Sch\u00fcttelkolbenversuche bis hin zu industrienahen Kultivierungen im Literma\u00dfstab gilt es, unter kontrollierbaren Bedingungen die jeweils optimalen Medien und Klimabedingungen f\u00fcr einen Algenstamm zu ermitteln, sodass dieser mit m\u00f6glichst maximaler Ausbeute betrieben werden kann.<\/p>\n
F\u00fcr viele Umweltisolate ist die beste Kultivierungsbedingung sehr \u00e4hnlich mit derjenigen an ihrem Isolationsstandort. Eine Mikroalge aus einem warmen S\u00fc\u00dfwassersee 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. W\u00e4hrend die erstgenannten Faktoren im Laborma\u00dfstab sehr leicht herzustellen sind, ist dies mit der Sonneneinstrahlung nicht so einfach der Fall. Je nach Standort auf der Welt gibt es erheblich variierende Bestrahlungsst\u00e4rken und Lichtspektren, die f\u00fcr eine laborseitige Untersuchung einer Mikroalge ber\u00fccksichtigt werden m\u00fcssen.<\/p>\n
Als eine der \u00e4ltesten 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, entz\u00fcndungshemmende und zytostatische Wirkung aufweisen k\u00f6nnen [2]. Trotz eines gro\u00dfen 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 Strukturaufkl\u00e4rung, bei klinischen Studien und der Produktion dar. Zum anderen m\u00fcssen solche Produkte in kontrollierbaren und wettbewerbsf\u00e4higen Prozessen hergestellt werden. Dar\u00fcber hinaus, sind monoseptische Kultivierungen in vielen heutzutage benutzten Photobioreaktoren nicht zu realisieren.<\/p>\n
Dieses Problem wurde bereits 2003 am Lehrstuhl f\u00fcr Bioverfahrenstechnik, FAU Erlangen aufgegriffen und durch die Einf\u00fchrung der \u201eMedusa\u201c-Photobioreaktoren gel\u00f6st (s. Abb. 1). Diese thermisch sterilisierbaren, 10-, 25- oder 100-L-Airlift-Schlaufen-Reaktoren mit externer Beleuchtung erm\u00f6glichen 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.<\/p>\n
Neben der Sterilisierbarkeit spielt bei Photobioreaktoren auch der effektive Lichteintrag eine sehr wichtige Rolle, da Licht ein limitierender Parameter f\u00fcr die photosynthetisch wachsenden Spezies ist. Algenzellen sind in der Lage, das Licht sehr effektiv zu absorbieren, sodass bereits bei niedrigen Zelldichten dessen Eindringtiefe nur wenige Millimeter betr\u00e4gt, was niedrigere Produktivit\u00e4ten nach sich zieht. Auch dieser Herausforderung konnten sich die Wissenschaftler der FAU Erlangen erfolgreich stellen. Ein neuartiges Konzept der internen Beleuchtung basiert auf LEDs (engl. Light-emitting diodes), die im Inneren des Bioreaktors schwimmen und diesen mit Licht versorgen. Mit ihrer Bandbreite an Wellenl\u00e4ngen setzen LEDs neue Ma\u00dfst\u00e4be f\u00fcr die Kultivierung phototropher Organismen. Die Energieversorgung der LEDs erfolgt drahtlos und basiert auf induktiver Energie\u00fcbertragung mittels eines Magnetfeldes, sodass sich die so genannten Wireless Light Emitter gleichm\u00e4\u00dfig im Reaktor verteilen k\u00f6nnen und diesen homogener als externe Beleuchtungssysteme ausleuchten [6]. Die in diesem System durchgef\u00fchrten Untersuchungen haben nicht nur gezeigt, dass das Wachstum einer Gr\u00fcnalge (Chlamydomonas reinhardtii) von dem notwendigen Magnetfeld nicht beeinflusst wird, sondern auch ein Anstieg der Biomasseausbeute von bis zu 80 % erreicht werden kann [4].<\/p>\n
Sollen Mikroalgen f\u00fcr die Produktion von Bulk-Chemikalien in gro\u00dfen Volumina z.B. f\u00fcr die Biokraftstoffforschung angezogen werden, m\u00fcssen aus energetischen und wirtschaftlichen Gr\u00fcnden offene Reaktorbecken und Sonnenlicht als Energiequelle verwendet werden. Hier sind die Produktivit\u00e4ten im Vergleich zu den Photobioreaktoren niedriger, da z.B. die Durchmischung schlechter und damit der CO2-Eintrag der Kultur niedriger ist. Geht die Sonne \u00fcber dem Algenbecken unter, kann nicht wie im Photobioreaktor k\u00fcnstlich beleuchtet werden, da dies aus energetischen Gr\u00fcnden nicht sinnvoll w\u00e4re. Ein weiteres Problem in einem offenen Algenbecken sind die durch Staub und Wind eingebrachten Fremdorganismen. H\u00e4ufig zeichnen sich diese durch h\u00f6here Wachstumsraten als die Algen aus und k\u00f6nnen \u2013 bei nicht optimalen Bedingungen \u2013 die Algenkultur zum Kippen bringen [8]. Umso wichtiger ist daher die Auswahl des richtigen Produktionsstammes und die Bestimmung dessen optimaler Wachstumsanforderungen vom Labor bis hin zur gro\u00dftechnischen Anlage.<\/p>\n
Um innerhalb dieses Prozesses unter gleichbleibenden Bedingungen arbeiten zu k\u00f6nnen, hat das Fachgebiet Industrielle Biokatalyse der TU M\u00fcnchen in Kooperation mit dem Berliner Unternehmen Futureled eine parallelisierbare Beleuchtungseinheit f\u00fcr Sch\u00fcttelkolben entwickelt (s. Abb. 1). In diesem neuartigen Beleuchtungssystem wurden verschiedene eigens entwickelte Leuchtdioden eingebaut, die eine realit\u00e4tsnahe Abbildung des kompletten photosynthetisch relevanten Bereichs des Sonnenlichtspektrums erm\u00f6glichen. Durch die Feinabstimmung der einzelnen LEDs ist es hiermit nun m\u00f6glich, sowohl die Lichtintensit\u00e4ten, als auch die Wellenl\u00e4ngenspektren f\u00fcr jeden einzelnen Stellplatz unterschiedlich einzustellen und somit auf einem Tablar bis zu 18 unterschiedliche Standorte zu simulieren. Damit lassen sich Lichtkinetiken f\u00fcr die Bestimmung der optimalen Bestrahlungsst\u00e4rke sowie Tag-Nacht-Verl\u00e4ufe der Sonneneinstrahlung realistisch darstellen. Die gro\u00dfe Variabilit\u00e4t der LEDs erlaubt auch eine weiterf\u00fchrende Analyse der Effekte einzelner Wellenl\u00e4ngen auf die Biomassezusammensetzung, sowie die Produktbildung der Algen.
\nUm die laborbasierten Prozesse in einen technisch relevanten Ma\u00dfstab zu \u00fcberf\u00fchren, wurde von der TU M\u00fcnchen ein entsprechendes Technikum gebaut, in dem Licht- und Klimaszenarien mit derselben Futureled-LED-Beleuchtung wie im Laborma\u00dfstab durchgef\u00fchrt werden k\u00f6nnen. Dies erm\u00f6glicht die Anpassung von Algenprozessen an einen spezifischen globalen Standort.<\/p>\n
\u00dcber die Streuung des Sonnenlichts in der Atmosph\u00e4re kommen je nach Tageszeit unterschiedliche Wellenl\u00e4ngenbereiche verst\u00e4rkt vor (z.B. rotes Licht im Morgengrauen und beim Abendrot). Diese \u00c4nderungen in der Spektralzusammensetzung sind mithilfe der neu entwickelten Technologie \u00fcber einen 24h-Zyklus simulier- und steuerbar, sodass unter kontrollierten Laborbedingungen komplexe Beleuchtungseffekte untersucht aber auch gezielt gesteuert werden k\u00f6nnen.
\nEine andere Anwendung ist die Simulation von Lichteinfl\u00fcssen auf Algen in hochsalinen Gew\u00e4ssern. Hier werden mit zunehmender Gew\u00e4ssertiefe spezielle Wellenl\u00e4ngen des sichtbaren Lichtes absorbiert und stehen Algen in tieferen Schichten demnach nicht mehr zur Verf\u00fcgung. Die Anpassungsstrategien dieser extremophilen Algen lassen sich nun nachstellen und besser verstehen.<\/p>\n
Durch die Entwicklung der internen Beleuchtung von Photobioreaktoren kann die Ausbeute in geschlossenen Bioreaktoren erheblich erh\u00f6ht werden und mit dem neuen LED-Sch\u00fcttler ist es nun m\u00f6glich, komplexe \u00c4nderungen in der Zusammensetzung des Lichtspektrums im Laborma\u00dfstab zu simulieren und zu untersuchen.<\/p>\n
<\/p>\n
Die Autoren danken den Bayerischen Staatsministerien f\u00fcr Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie sowie Bildung und Kultus, Wissenschaft und Kunst.<\/em><\/p>\n <\/p>\n Literatur:<\/em><\/strong><\/p>\n [1] Bhatnagar A., Chinnasamy S., Singh M., Das K.C. Renewable biomass production by mimxotrophic algae in the presence of various carbon sources and waste waters. Applied Energy 88, (2011), 3425-3431<\/em> [3] Fraunhofer IGB (Hg.) [online]: Algen \u2013 Nachhaltige Rohstoffquelle f\u00fcr Wertstoffe und Energie, http:\/\/www.igb.fraunhofer.de\/www\/pupa\/broschueren\/download_de\/Algen_D.pdf [6. April 2011] [5] Raja R., Heimaiswarya S., Ashok Kumar N., Sridhar S., Rengasamy R. A perspective on the biotechnological potentaial of microalgae. Crit. Rev. Microbiol. 34, (2008), 77-88<\/em><\/p>\n \u00a0<\/em> [7] Walter C., Steinau T., Gerbsch N., Buchholz R. Monoseptic cultivation of phototrophic microorganisms \u2013 development and scale-up of photobioreactor system with thermal sterilization. Biomol. Eng. 20 (2003) 261-271.<\/em><\/p>\n [8] Mata, T. M., et al. (2010). “Microalgae for biodiesel production and other applications: A review.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 14(1): 217-232.<\/em> * *M. Heining, Dr. A. Becker, Prof. Dr. R. Buchholz: Lehrstuhl f\u00fcr Bioverfahrenstechnik, Friedrich-Alexander-Universit\u00e4t Erlangen-N\u00fcrnberg, 91052 Erlangen<\/em><\/p>\n * **O. Arnold: Futureled GmbH, 12555 Berlin<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" LEDs zeigen vielf\u00e4ltige Anwendungen in der Mikroalgenforschung. Als interne Beleuchtungssysteme erh\u00f6hen sie die Produktivit\u00e4ten in konventionellen Photobioreaktoren. F\u00fcr die bessere \u00dcbertragbarkeit von Laborversuchen kann mit einem neuartigen LED-Sch\u00fcttlersystem die Br\u00fccke zwischen Labor und Gro\u00dfversuch geschlagen werden. Die meisten Menschen haben am Strand schon einmal Bekanntschaft mit Makroalgen gemacht \u2013 dann n\u00e4mlich wenn diese das Schlendern […]<\/p>\n","protected":false},"author":59,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_seopress_robots_primary_cat":"","nova_meta_subtitle":"","footnotes":""},"categories":[5572],"tags":[],"supplier":[23767,4454,8826,263],"class_list":["post-26234","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-bio-based","supplier-bayerisches-staatsministerium-fur-wirtschaft-landesentwicklung-und-energie","supplier-friedrich-alexander-universitaet-erlangen-nuernberg","supplier-futureled-gmbh","supplier-technische-universitaet-muenchen"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/26234","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/users\/59"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=26234"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/26234\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=26234"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=26234"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=26234"},{"taxonomy":"supplier","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/supplier?post=26234"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}
\n\u00a0<\/em>
\n[2] Blunt, John W.; Copp, Brent R.; Keyzers, Robert A.; Munro, Murray H. G.; Prinsep, Mich\u00e8le R. (2012): Marine natural products. In: Nat. Prod. Rep 29 (2), S. 144.<\/em><\/p>\n
\n<\/em>
\n[4] Heining M., Sutor A., Stute S.C., Lindenberger C.P., Buchholz R. Internal illumination of photobioreactore via wireless light emitters: a proof of concept. J. App. Phycol 27 (2015), 59-66<\/em><\/p>\n
\n[6] Sutor A., Heining M., Lindenberger C., Buchholz R.. Method for Optimizing the Field Coils of Internally Illuminated Photobioreactors. IEE Trans. Magnet. 50 (2014)<\/em><\/p>\n
\n* M. Glemser, J. Schmidt, Dr. D. Garbe, Prof. Dr. T. Br\u00fcck: Fachgebiet Industrielle Biokatalyse, Fakult\u00e4t Chemie, Technische Universit\u00e4t M\u00fcnchen, 85748 Garching, Tel. 49-89-289-13498<\/em><\/p>\n