Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie, Institutsteil Bioanalytik und Bioprozesse IZI-BB
Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie, Institutsteil Bioanalytik und Bioprozesse IZI-BB

Mikroalgen als Bioressource

Die in ihrem Umfang und ihrer Diversität weltweit wohl einzigartige Stammsammlung CCCryo stellt die Basis für die Verwertung kryophiler (= kälteliebender) Süßwassermikroalgen, den sogenannten Schnee- und Permafrostalgen, im industriellen Kontext dar.

Kryophile Algen sind in ihrem natürlichen Lebensraum vielfältigen extremen Stressfaktoren ausgesetzt. Dazu gehören in erster Linie Kälte, erhöhte Licht- und UV-Strahlung, Austrocknung sowie stark wechselnde Nährstoff- und Salzgehalte. Ziel ist es, die von den auf Expeditionen in den Polargebieten gesammelten Isolaten entwickelten besonderen Enzyme und Metabolite in eine industrielle Anwendung zu überführen.

Für eine Bioproduktion im industriellen Maßstab werden hierfür sowohl geeignete Photobioreaktoren für die sterile Massenkultur autotropher Organismen als auch die entsprechenden Prozesse entwickelt.

Dienstleistungen:

  • Screening der CCCryo-Stämme nach kundenspezifischen Inhaltsstoffen. Mehr Informationen zu Stammdetails und Bestellinformationen unter www.cccryo.fraunhofer.de
  • Bioprospecting nach geeigneten Organismen für besondere Anwendungsfragen
  • Entwicklung von Produktionsprozessen
  • Produktion von Rohmasse nach SOPs, auch hochrein mit mikrobiologischer Qualitätskontrolle nach ISO-Standards
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Photobioreaktorentwicklung für hochreine Algenbiomasse

Am Fraunhofer IZI-BB entwickelte vertikale Glasröhrenphotobioreaktoren für eine sterile Produktion von Algenbiomasse nach GLP.
© Fraunhofer IZI-BB, Tobias Marschner
Am Fraunhofer IZI-BB entwickelte vertikale Glasröhrenphotobioreaktoren für eine sterile Produktion von Algenbiomasse nach GLP.

Für eine Bioproduktion im industriellen Maßstab entwickelt und betreibt das Institut Glasröhren-Photobioreaktoren für die hochreine Massenkultur phototropher Organismen. Diese Systeme werden seit 2011 erfolgreich am Institut sowie bei Industriekunden eingesetzt. Die Einzelmodule der Reaktoren mit einem jeweiligen Arbeitsvolumen von bis zu 60 L ermöglichen die schonende Produktion und die biotechnologische Nutzung eines breiten Spektrums phototropher Mikroorganismen und können individuell an Produktionsanforderungen angepasst werden. Der Betrieb erfolgt nach SOPs. Strenge mikrobiologische Qualitätskontrollen nach ISO Standards sichern eine kontaminationsfreie Biomasse für sensible Anwendungsbereiche.

Pigmente aus Algen und Cyanobakterien als natürliche Farbstoffe für die Lebensmittelindustrie

Typisch für Schnee- und Permafrostalgen ist die Fähigkeit zur Produktion von Sekundärcarotinoiden wie Astaxanthin und anderen Antioxidantien, wie z.B. alpha-Tocopherol (Vitamin E). Sie reagieren in ihrem natürlichen Lebensraum damit auf Stress durch niedrige Nährstoffe und hohe Licht- und UV-Strahlung. Die verschiedenen Algenstämme zeigen dabei zum Teil sehr unterschiedliche Pigmentmuster.

Karotinoide in Schnee- und Permafrostalgen
© Fraunhofer IZI-BB, Thomas Leya
Karotinoide in Schnee- und Permafrostalgen
Cyanophyceen Pigmente
© Fraunhofer IZI-BB, Thomas Leya
Cyanophyceen Pigmente

Bei einer Massenproduktion gliedert sich der Prozess typischerweise in zwei Phasen. In der ersten wird unter optimaler Nährstoff- und Lichtversorgung eine hohe Biomasse erzeugt. In der zweiten Phase wird durch Setzen bestimmter Stressoren die Synthese von Sekundärkarotinoiden eingeleitet. Meist werden dabei auch große Mengen an Lipiden aufgebaut, in denen die fettlöslichen Carotinoide gespeichert werden.

Je nach Algenstamm sind in der Algenmasse unterschiedliche Gehalte an:

  • Astaxanthin
  • alpha- und beta-Carotin
  • Lutein
  • alpha-Tocopherol
  • Violaxanthin
  • Antheraxanthin
  • Zeaxanthin
  • Echinenon
  • Hydroxyechinenon
  • Neoxanthin
  • Adinoxanthin
  • Canthaxanthin

 

zu finden. Industriell interessant sind dabei vorwiegend Lutein, Astaxanthin und alpha-Tocopherol (Vitamin E) für die Nahrungsergänzungs- und Futtermittel- sowie die Kosmetikbranche.

Der Produktionsprozess zur Gewinnung von blauen, rosa-farbenen und violetten Farbstoffen aus Cyanobakterien gestaltet sich hingegen einstufig. Diese eher wasserlöslichen Pigmente eignen sich besonders für die Lebensmittelindustrie.

Folgende Ressourcen und Geräte stehen der Arbeitsgruppe und Kooperationspartnern zur Verfügung:

  • Algenkultursammlung CCCryo mit über 550 Isolaten an kryophilen Organismen (Algen, Cyanobakterien, Pilze, Moose, Hefen und Bakterien)
    Die Datenbank der Stammsammlung CCCryo, ebenso wie die Bestellinformationen sind über die Webseite zugänglich. Die Algen sind für öffentliche und industrielle Forschungsinstitutionen erhältlich.
  • in-situ sterilisierbare Glasröhren-Photobioreaktoren im multiloop- und doublehelix-Design mit Airlift-Prinzip (1 x 60 L, 2 x 30 L, 3 x 25 L, 6 x 10 L), Gesamtvolumen im sterilen Produktionsprozess = etwa 255 L, mit einer Jahreskapazität von etwa 100 kg Algenfrischmasse
  • Kryomikroskop mit digitaler Bildverarbeitung
  • Gaschromatograph mit FID-Detektor (Agilent 7890B)
  • Elementanalysator (EuroEA CNS)
  • Pigmentanalysen (HPLC)

  • Deutsches Geoforschungszentrum GFZ, Potsdam (Deutschland)
  • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Berlin (Deutschland)
  • Mibelle Biochemistry, Mibelle AG, Buchs (Schweiz)
  • Sammlung von Algenkulturen SAG, Georg-August-Universität Göttingen., Göttingen (Deutschland)
  • University of California, Berkeley (U.S.A.)

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