MultiLoop10-25c
© Fraunhofer IZI-BB
MultiLoop10-25c

CCCryo - Mikroalgen als Bioressource

Die in ihrem Umfang und ihrer Diversität 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
  • Bioprospecting nach geeigneten Organismen für besondere Anwendungsfragen
  • Entwicklung von Produktionsprozessen
  • Produktion von Rohmasse nach SOPs, auch hochrein mit mikrobiologischer Qualitätskontrolle nach ISO-Standards

Culture collection of cryophilic algae

Photobioreaktoren für hochwertige Produkte aus Mikroalgen

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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 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.

PUFAChain - Entwicklung eines integrativen Bioproduktionsprozesses mehrfach ungesättigter Fettsäuren (PUFA) aus Mikroalgen#

Im Rahmen dieses EU-Projekts wird von einem internationalen Team von 9 Partnern die Wertschöpfungskette von der Bioressource, über den Produktions-, Ernte- und Aufarbeitungsprozess bis hin zum Endprodukt untersucht. Ziel ist die Etablierung eines wirtschaftlich stabilen Produktionsprozesses für Omega-3-Fettsäuren (DHA und EPA), die als Bausteine für die moderne Oleochemie dienen sollen. Es zeigt sich, dass sich eine Reihe von Schneealgen aus der CCCryo für eine Produktion von EPA eignen.

Die Webseite des PUFAChain Projekts ist hierüber ereichbar.

Pigmente aus Algen und Cyanobakterien als natürliche Farbstoffe für die Lebensmittelindustrie#

Typisch für Schnee- und Permafrostalgen ist die Fähigkeit zur Produktion von Sekundärcarotinoiden 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
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.

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

  • Algenkultursammlung CCCryo mit über 450 Isolaten an kryophilen Organismen (Algen, Cyanobakterien, Pilze und Moose)
    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)

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  • A4F, AlgaFuel, SA, Lissabon (Portugal)
  • Deutsches Geoforschungszentrum GFZ, Potsdam (Deutschland)
  • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Berlin (Deutschland)
  • Humboldt-Universität zu Berlin, Berlin (Deutschland)
  • IOI Oleochemicals GmbH & Co. KG, Witten (Deutschland)
  • Mibelle Biochemistry, Mibelle AG, Buchs (Schweiz)
  • Sammlung von Algenkulturen SAG, Georg-August-Universität Göttingen., Göttingen (Deutschland)
  • University of California UCLA, Los Angeles (U.S.A.)

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  • Laufmann, P. (2020): Kaltblütig im Frost. natur 1-20: 50-53
  • Leya, T. (2019 (invited speaker)): Cryophilic algae and their potential for a biobased economy. - Proceedings of the Bionnale 2019, Berlin (Germany), 07.05.2019.
  • Schwarz-Weig, E. & Leya, T. (2019): Seit 200 Jahren bekannt und noch voller Rätsel: Die blutrote Schneealge ist Alge des Jahres 2019. - In: Sektion Phykologie in der Deustchen Botanischen Gesellschaft, (ed.), online. 7.
  • Procházková, L., Leya, T., Křížková, H. & Nedbalová, L. (2019): Sanguina nivaloides and Sanguina aurantia gen. et spp. nov. (Chlorophyta): the taxonomy, phylogeny, biogeography and ecology of two newly recognised algae causing red and orange snow. - FEMS Microbiol. Ecol. 95(6): fiz064. doi: 10.1093/femsec/fiz064
  • Liu, Y., Jeraldo, P., Schulze-Makuch, D., Vera, J.-P.d., Cockell, C., Leya, T., Baqué, M. & Walther-Antonio, M. (2019): Single cell whole genome amplification in optofluidic platform and sequencing assessment from the Biology and Mars Experiment (BIOMEX). - Proceedings of the Astrobiology Science Conference (AbSciCon) 2019, Seattle, Washington (USA), 24.-28.06.2019.
  • Leya, T., Baqué, M., Rabbow, E. & de Vera, J.-P.P. (2019): Cryophilic algae survive in space. - Proceedings of the BIOMEX Closing Ceremony Meeting, DLR, Berlin (Germany), 27.03.-29.03.2019, DLR.
  • Leya, T. (2019): Die Alge des Jahres 2019 und andere kälteliebende Schneealgen und ihr Potential für die Lebensmittelindustrie. RFL - Rundschau für Fleischhygiene und Lebensmittelüberwachung 71(6/2019)
  • Leya, T. (2019): Die blutrote Schneealge ist Alge des Jahres 2019. - In: Pirich, C., (ed.). RBB Kulturradio am Vormittag. Kulturradio, Rundfunk Berlin Brandenburg, Berlin.
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  • de Vera, J.-P., Alawi, M., Backhaus, T., Baqué, M., Billi, D., Böttger, U., Berger, T., Cockell, C., Demets, R., de la Torre Noetzel, R., Edwards, H., Elsaesser, A., Fagliarone, C., Fiedler, A., Foing, B., Foucher, F., Fritz, J., Hanke, F., Herzog, T., Horneck, G., Hübers, H.-W., Huwe, B., Joshi, J., Kozyrovska, N., Kruchten, M., Lasch, P., Lee, N., Leya, T., Lorek, A., Moritz, S., Möller, R., Olsson-Francis, K., Onofri, S., Ott, S., Pacelli, C., Podolich, O., Martínez-Frías, J., Rabbow, E., Reitz, G., Rettberg, P., Reva, O., Rothschild, L., Sancho, L.G., Schulze-Makuch, D., Selbmann, L., Serrano, P., Szewzyk, U., Verseux, C., Wagner, D., Westall, F., Wolter, D. & Zucconi, L. (2019): Limits of life and the habitability of Mars: The ESA space experiment BIOMEX on the ISS. - Astrobiology 19(2): 145-157. doi: 10.1089/ast.2018.1897
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  • Liu, Y., Schulze-Makuch, D., de Vera, J.-P., Cockell, C., Leya, T., Baqué, M. & Walther-Antonio, M. (2018): The development of an effective bacterial single-cell lysis method suitable for whole genome amplification in microfluidic platforms. - Micromachines 9(8): art. no. 367. doi: 10.3390/mi9080367
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  • Pereira, S., Parreira, C., Mota, R., Semião, F., Badenes, S.M., Santos, E., Costa, L., Leya, T., Friedl, T. & Verdelho Vieira, V. (2017): Overcoming the challenges in the very first closed photobioreactor pilot scale cultivations of cryophilic and dinoflagellate microalgae strains for PUFA production. - Proceedings of the Algae Biorefineries for Europe, Brussels (Belgium), 17.-18.10.2017.
  • Leya, T., Jorde, F., Thomas, R., Pereira, S., Badenes, S.M., Santos, E., Costa, L., Verdelho Vieira, V., Friedl, T. & Kryvenda, A. (2017): The Algae Crop Rotation principle as a potential basis for algae mass production. - Proceedings of the Algae Biorefineries for Europe, Brussels (Belgium), 17.-18.10.2017.
  • Leya, T., Baqué, M., Rabbow, E. & de Vera, J.P. (2017): 241. Cryophilic algae survive in space. - Phycologia 56(sp4): 115
  • Jorde, F., Wenzel, D., Gutschmann, B. & Leya, T. (2017): Facing the challenges of pure microalgae production in pilot scale photobioreactors. - Proceedings of the Algae Biorefineries for Europe, Brussels (Belgium), 17.-18.10.2017.
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  • de Vera J-P, Boettger U, Noetzel RdlT, Sánchez, FJ, Grunow D, Schmitz N, Lange C, Hübers H-W, Billi D, Baqué M, Rettberg P, Rabbow E, Reitz G, Berger T, Möller R, Bohmeier M, Horneck G, Westall F, Jänchen J, Fritz J, Meyer C, Onofri S, Selbmann L, Zucconi L, Kozyrovska N, Leya T, Foing B, Demets R, Cockell CS, Bryce C, Wagner D, Serrano P, Edwards HGM, Joshi J, Huwe B, Ehrenfreund P, Elsaesser A, Ott S, Meessen J, Feyh N, Szewzyk U, Jaumann R, Spohn T. Supporting Mars exploration: BIOMEX in Low Earth Orbit and further astrobiological studies on the Moon using Raman and PanCam technology. Planetary and Space Science 74 (2012), 1: S. 103-110.
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