Gesellschaft zur Förderung von Medizin-,
Bio- und Umwelttechnologien e. V.

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Das Land Sachsen-Anhalt unterstützt von 2014 bis 2020 wieder Projekte im Bereich der industriellen Forschung und experimentellen Entwicklung mit Hilfe von Mitteln aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).
Als gemeinnützige Forschungseinrichtung nutzt die GMBU e.V. das aktuelle Förderprogramm, um innovative Prozessführungsstrategien zu entwickeln, welche eine Multiproduktgewinnung aus phototrophen Mikroorganismen ermöglichen.

Mikroalgen und Cyanobakterien besitzen ein breites Metabolitspektrum (Aminosäuren, Polysaccharide, Fettsäuren, Antibiotika, Vitamine, Pigmente u.v.m.), welches im Bereich der Nahrungs(ergänzungs)mittel, Kosmetik, Pharmazie und Grundchemikalienindustrie von wirtschaftlichem Interesse ist und zunehmend in den Fokus aktueller Forschungsarbeiten rückt [1-5].
Einer der Hauptgründe, dass derzeitig nur einige wenige Wertstoffe im industriellen Maßstab mit Mikroalgen hergestellt werden, liegt in den hohen Produktionskosten für die Biomasse. In Abhängigkeit vom genutzten Kultivierungssystem (open ponds, geschlossene PBR) kann ein Kilogramm Algenbiomasse zu einem Preis zwischen 2 und 20 US$ hergestellt werden. Um eine wirtschaftliche Nutzung von Produkten aus Algenbiomasse zu ermöglichen, muss ein Preis deutlich unter 1 US$ pro Kilogramm erreicht werden [6].
Neben der Reduzierung der Produktionskosten lässt sich die Wirtschaftlichkeit der Algenproduktion über die ganzheitliche Verwertung der Biomasse erhöhen. Die Restbiomasse, die nach der Abtrennung des primären Produktes (z.B. Carotinoide, Lipide) anfällt, wird derzeitig im Low-Cost-Sektor vorrangig energetisch (z.B. Substrat für Biogasanlagen) oder als Futtermittel genutzt. Eine bislang nur wenig beachtete Stoffklasse in der Mikroalgenbiomasse sind die enthaltenen Proteine, die im Durchschnitt 40 - 60 % der Zelltrockenmasse darstellen und sich durch ein hochwertiges Aminosäurespektrum auszeichnen, welches bspw. im Bereich der Humanernährung und Kosmetik von großem Interesse ist [7, 8].
Während für die Erzeugung einzelner interessierender Algeninhaltsstoffe wie bspw. Lipide [9, 10] und Carotinoide [11, 12] für ausgewählte Stämme bereits Prozessführungsstrategien zur Maximierung der Produktbildung existieren, ist die gezielte Beeinflussung der Proteinzusammensetzung von Mikroalgen und Cyanobakterien weitgehend unerforscht.

An dieser Stelle knüpft das aktuelle FuE-Projekt der GMBU e.V. an. Im Rahmen eines Screenings sollen die Kultivierungsparameter identifiziert werden, welche einen Einfluss auf die qualitative (Spektrum) und quantitative (Konzentration) Proteinzusammensetzung der Zelle haben. Im Anschluss sollen die hierbei gewonnenen Erkenntnisse genutzt werden, um Prozessführungsstrategien zu entwickeln, welche eine multiple Wertstoffgewinnung aus der produzierten Algenbiomasse ermöglichen. Die Gewinnung einer wirtschaftlich relevanten Proteinfraktion als Sekundärprodukt ist hierbei das Zielkriterium. Die Bildungsraten des Primärproduktes sollen dabei nicht oder nur minimal beeinträchtigt werden.

Zur Realisierung eines wirtschaftlichen, biotechnologischen Produktionsprozesses für Wertstoffe aus phototrophen Mikroorganismen ist es zwingend erforderlich sowohl das Up- als auch das Downstream Processing zu berücksichtigen. Für die Bearbeitung der Fragestellung der Produktaufarbeitung und -charakterisierung ist eine enge Kooperation mit dem Pilot Pflanzenöltechnologie Magdeburg e.V. (PPM e.V.) geplant, welcher weitreichende Erfahrungen im Bereich der Gewinnung, Reinigung, Fraktionierung und Modifizierung pflanzlicher Proteine besitzt.

Dieses Projekt wird gefördert durch

 

efre

 

Quellen
  • [1] Patterson, G. M., Larsen, L. K. & Moore, R. E. Bioactive natural products from blue-green algae. Journal of Applied Phycology 6, 151–157 (1994).
  • [2] Borowitzka, M. A. Microalgae as sources of pharmaceuticals and other biologically active compounds. Journal of Applied Phycology 7, 3–15 (1995).
  • [3] Kreitlow, S., Mundt, S. & Lindequist, U. Cyanobacteria—a potential source of new biologically active substances. Journal of Biotechnology 70, 61–63 (1999).
  • [4] Singh, S., Kate, B. N. & Banerjee, U. C. Bioactive Compounds from Cyanobacteria and Microalgae: An Overview. Critical Reviews in Biotechnology 25, 73–95 (2005).
  • [5] Abed, R. M. M., Dobretsov, S. & Sudesh, K. Applications of cyanobacteria in biotechnology. Journal of Applied Microbiology 106, 1–12 (2009).
  • [6] Rübberdt, K. Algen – Energie- und Wertstoffproduzenten der Zukunft? Presse Information - DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. (2014).
  • [7] Ursu, A.-V. et al. Extraction, fractionation and functional properties of proteins from the microalgae Chlorella vulgaris. Bioresource Technology 157, 134–139 (2014).
  • [8] Schwenzfeier, A., Wierenga, P. A. & Gruppen, H. Isolation and characterization of solubleprotein from the green microalgae Tetraselmis sp. Bioresource Technology 102, 9121–9127 (2011).
  • [9] Su, C.-H. et al. Factors affecting lipid accumulation by Nannochloropsis oculata in a two-stage cultivation process. Journal of Applied Phycology 23, 903–908 (2011).
  • [10] Zheng, Y., Chi, Z., Lucker, B. & Chen, S. Two-stage heterotrophic and phototrophic culture strategy for algal biomass and lipid production. Bioresource Technology 103, 484–488 (2012).
  • [11] Zhang, D.-H. & Lee, Y.-K. Two-step process for ketocarotenoid production by a green alga, Chlorococcum sp. strain MA-1. Applied Microbiology and Biotechnology 55, 537–540 (2001).
  • [12] Aflalo, C., Meshulam, Y., Zarka, A. & Boussiba, S. On the relative efficiency of two- vs. one-stage production of astaxanthin by the green alga Haematococcus pluvialis. Biotechnology and Bioengineering 98, 300–305 (2007).