Untersuchung zur mixo- und heterotrophen Kultivierung von Mikroalgen mit Glycerin als Kohlenstoffquelle

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2017-02-23
Issue Year
2017
Authors
Schwerna, Philipp
Editor
Abstract

Microalgae and cyanobacteria are attracting greater interest in public and business, because they are a natural source of a variety of different products. These products can be, among others, polyunsaturated fatty acids, vitamins, pharmaceutically active substances and dyes, which are used in the food industry, pharmaceutical and cosmetic industries. The economical synthesis of these substances is still a big challenge in the fields of reactor development and process optimization. In addition to the phototrophic growth, in which CO2 is the only carbon source, a selection of microalgae strains can also metabolize different organic carbon sources. A cost-effective substrate is crude glycerol, which is produced as a waste product in biodiesel production and thus has high availability. However, it may have various impurities which make direct use in the cultivation of microalgae impossible. In the present work it was shown that crude glycerol can be made usable for the biotechnological fermentation of microalgae by a cost-effective purification step with activated carbon. Only an amount of 24 g of activated carbon is necessary to purify 1 kg of crude glycerol. It was also confirmed that presumably free fatty acids contained in crude glycerol are responsible for the growth-inhibiting effect. These free fatty acids could be reduced by the established pretreatment with activated carbon by 75 %. After an extensive screening of different microalgae species and evaluation of the potential value products, the red algae Galdieria sulphuraria was selected for further investigations as well as for the process development. The optimal growth conditions for the organism could be ifentified at a temperature range of 44 °C to 45 °C and a pH of 2.0. The product formation of phycocyanin (PC), which is in the focus of this work as a valuable product of microalgae, could only be recognized in the stationary phase during heterotrophic fermentation. This corresponds to a process kinetics according to Gaden type III. During the mixotrophic cultivation of G. sulphuraria in the photobioreactor-screening-module (PSM), PC is formed during the exponential growth and thus corresponds to type Gaden I. Since it has been shown that during the growth a certain amount of light is needed for the synthesis of PC. Therefore a method was developed with which the relation between net oxygen production (OPR) and oxygen absorption rate (OUR) could be measured during the process. The method was applied to the X/D-diagram of the mixotrophic cultivation, in order to define ratio between OUR and net OPR in which no losses of the PC yield occur. The yield of PC is on average 7.47 mgPC∙gBTM-1 ±0,47 between a dilution rate of 1.20 d-1 to 1.91 d-1. The maximum space-time-yield of PC (STYPC) was achieved with 62.14 mg∙L-1∙d-1 at a dilution rate of 1.54 d-1. In contrast, the highest space-time-yield of CDW (STYCDW) was obtained with 7.72 g∙L-1∙d-1at a flow rate of 1.70 d-1. In addition it could be demonstrated that not only the light quantity but also the light spectrum has a significant influence on growth and product formation. A switch from fluorescent tubes to RGB-LEDs with which a special light spectrum was set, resulted in an increase in the STYCDW of 26 % at pure red illumination. Whereas a 31 % improvement for the STYPC could be achieved with a mixture of 60 % red and 40 % blue portion of the RGB-LED.

Abstract

Mikroalgen und Cyanobakterien rücken zusehends in den Fokus öffentlichen und wirtschaftlichen Interesses, weil sie eine natürliche Quelle einer Vielzahl unterschiedlicher Produkte sind. Diese Produkte können unter anderem mehrfach ungesättigten Fettsäuren, Vitamine, pharmazeutisch wirksame Substanzen und Farbstoffe sein, die in der Lebensmittelindustrie, pharmazeutischen sowie kosmetischen Industrie eingesetzt werden. Die ökonomische Synthese dieser Stoffe ist nach wie vor eine verfahrenstechnische Herausforderung für Reaktorentwicklung und Prozessoptimierung. Neben dem phototrophen Wachstum, in dem CO2 als einzige Kohlenstoffquelle dient, können bestimmte Mikroalgen auch unterschiedliche organische Kohlenstoffquellen zur Energiegewinnung nutzen. Ein kostengünstiges Substrat stellt das Rohglycerin (RoG) dar, welches während der Biodieselherstellung als Abfallprodukt anfällt und somit eine hohe Verfügbarkeit aufweist. Es kann allerdings verschiedene Verunreinigungen aufweisen, die einen direkten Einsatz in der Kultivierung von Mikroalgen unmöglich macht. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass RoG durch eine einfache und kostengünstige Aufreinigung mit Aktivkohle für die biotechnologische Fermentation von Mikroalgen nutzbar gemacht werden kann. Hierfür ist lediglich eine Menge von 24 g Aktivkohle notwendig um 1 kg RoG aufzureinigen. Zudem konnte bestätigt werden, dass vermutlich freie Fettsäuren, die im RoG enthalten sind, für die wachstumsinhibierende Wirkung verantwortlich sind. Diese wurden durch die etablierte Vorbehandlung mit Aktivkohle um 75 % in der RoG-Phase reduziert. Nach einem umfangreichen Screening verschiedener Mikroalgenspezies und Evaluierung der potentiellen Wertprodukte wurde die Rotalge Galdieria sulphuraria für weitere Untersuchungen sowie für die Prozessauslegung ausgewählt. Die optimalen Wachstumsbedingungen für den Organismus wurden bei einem Temperaturbereich von 44°C bis 45°C und einem pH-Wert von 2,0 gefunden. Die Produktbildung von Phycocyanin (PC), welches als Wertprodukt aus Mikroalgen im Fokus dieser Arbeit steht, konnte bei der heterotrophen Fermentation erst in der stationären Phase erkannt werden. Dies entspricht einer Prozesskinetik nach Gaden Typ III. Bei der mixotrophen Kultivierung von G. sulphuraria in dem Photobioreaktor-Screening-Modul (PSM) wird PC während des exponentiellen Wachstums gebildet und entspricht demnach Typ Gaden I. Da damit gezeigt worden ist, dass während des Wachstums ein gewisser Anteil an Licht für die Synthese von PC benötigt wird und es somit ein Zusammenhang zwischen netto Sauerstoffproduktions- (OPR) und Sauerstoffaufnahmerate (OUR) geben muss, wurde eine Methode entwickelt, mit deren Hilfe diese Raten während des Prozesses bestimmt werden können. Angewendet auf das X/D-Diagramm der mixotrophen Kultivierung konnte ein Verhältnis zwischen OUR und netto OPR definiert werden, in dem es zu keinen Verlusten der PC-Ausbeute kommt. Die Ausbeute beträgt in einem Bereich zwischen einer Verdünnungsrate von 1,20 d-1 bis 1,91 d-1 durchschnittlich 7,47 mgPC∙gBTM-1 ±0,47. Die maximale RZAPC wurde mit 62,14 mg∙L-1∙d-1 bei einer Verdünnungsrate von 1,54 d-1 erzielt. Im Gegensatz dazu wurde die höchste RZABTM mit 7,72 g∙L-1∙d-1 bei einer Durchflussrate von 1,70 d-1 identifiziert. Es konnte zudem gezeigt werden, dass nicht nur die Lichtmenge sondern auch das Lichtspektrum einen signifikanten Einfluss auf das Wachstum und die Produktbildung haben. Eine Umstellung von Leuchtstoffröhren auf RGB-LEDs, mit denen ein spezielles Lichtspektrum eingestellt wurde, resultierte in einer Steigerung der Raumzeitausbeute für die Biomasse (RZABTM) von 26 % bei einem Anteil von 100 % rotem Licht. Eine 31 %-ige Verbesserung für die RZAPC konnte hingegen bei einer Mischung von 60 % rotem und 40 % blauem Anteil der RGB-LED erreicht werden.

DOI
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