BioenergieFachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V.

 

Verbundvorhaben: Co-Kultivierung von Algen und Hefen zur umweltfreundlichen Gewinnung von Biokraftstoffen und Carbonsäuren (CoKult); Teilvorhaben 1: Bioprozessentwicklung

Anschrift
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ
Permoserstr. 15
04318 Leipzig
Kontakt
Dr. Andreas Aurich
Tel: +49 341 235-1613
E-Mail schreiben
FKZ
22018415
Anfang
01.04.2016
Ende
30.11.2018
Ergebnisdarstellung
Zu Beginn war die Findung eines gemeinsamen Nährmediums, welches ein stabiles Wachstum und höchstmögliche Produktausbeuten erlaubte, notwendig. Als aussichtsreichstes Medium wurde das Setlik-Medium selektiert, welches durch gezielte Modifikation in der Nährsalzzusammensetzung an die Bedürfnisse der Algen und Hefen angepasst wurde. Wachstums- und Produktbildungskinetiken für ausgesuchte Hefen und Algen-Gemische wurden ermittelt, sodass sich aufgrund der Teilungsraten, der gemeinsamen Stickstofflimitation, des stabilen heterotrophen sowie phototrophen Algenwachstums und der hohen Carbonsäureausbeuten die weiteren Untersuchungen auf die Co-Kultivierung der Hefe Yarrowia lipolytica H181 und der Grünalge Dunaliella tertiolecta 13.86 als aussichtsreichste Kombination fokussierten. Verschiedene Abprodukte (Rohglycerin, Glycerinwasser) wurden als C-Quelle auf ihre Eignung in einem Hefe-Algen-Mischsystem getestet. In allen getesteten Substratvarianten konnte eine stabile Mischkultur mit Produktsynthese (Citrat) detektiert werden. Aufgrund minimaler Nährsalzfracht und zur Vermeidung nachgelagerter Limitationen sowie zur Erhaltung der Vergleichbarkeit wurde im weiteren Projektverlauf konzentriertes Glycerol als Kohlenstoffquelle eingesetzt. Für die gemeinsame Kultivierung der favorisierten MO wurden die optimalen verfahrenstechn. Bedingungen im Blasensäulensystem ermittelt. Bei 26 °C, einem pH-Wert zwischen 5,5 und 6,5, einer Begasungsrate von 0,5 vvm (Luft), einer Belichtungsintensität von 50 % (140 lm) und einem Tag-Nacht-Zyklus von 12 h :12 h konnte ein durchgängiges Wachstum beider MOs sowie der höchste Citratgehalt (26,3 g L-1) im Batch-Ansatz erreicht werden. Die Resultate waren die Basis für die Maßstabsübertragung in ein Flat-Panel-System und wurden erfolgreich durch den Partner TZ-Leipzig in den Technikumsmaßstab übertragen. Die ökologischen Vorteile für die Co-Kultivierung zur Citratbildung gegenüber dem industriellen Prozess mit A. niger konnten aufgezeigt werden.
Aufgabenbeschreibung
Ziel des Verbundvorhabens war die Entwicklung und Überführung einer stabilen Co-Kultivierung von einer lipidbildenden Alge und einer carbonsäure-produzierenden Hefe und deren Überführung vom Schüttelkolbenmaßstab bis in ein neuartiges Outdoor-Flat-Panel-System zur umweltfreundlichen und nachhaltigen Gewinnung von Carbonsäuren und Biokraftstoffen unter Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen und preiswerten Ab- und Nebenprodukten der Agrar-, Lebensmittel und Biokraftstoffindustrie. Das von der Hefe während der Wachstums- und Produktbildungsphase gebildete Stoffwechselnebenprodukt CO2 sollte unmittelbar durch die phototrophe Alge aufgenommen und direkt als primäre Kohlenstoffquelle das Algenwachstum und deren Produktbildung positiv beeinflussen. Parallel dazu sollte das von der sauerstoffproduzierenden Alge abgegebene O2 effektiv von der aeroben Hefe zur Stimulierung und Aufrechterhaltung zellinterner Stoffwechselvorgänge genutzt werden. Zu Beginn des Forschungsvorhabens sollte die Kinetik verschiedener Algen- und Hefearten in Mono- und Mischkulturansätzen im Labormaßstab untersucht, ermittelt und dadurch eine für die Co-Kultivierung potentiell geeignete phototrophe Alge und aerobe Hefe sondiert werden. Die Ermittlung der optimalen Kultivierungsbedingungen (gemeinsames Kulturmedium, Nährsalze, C-Quelle, Temperatur, pH-Wert) und der verfahrenstechnischen Parameter (Begasungsrate, Lichtintensität, Belichtungsdauer) im Blasensäulensystemen dienten als Basisdaten für die Maßstabsübertragung des optimierten Kultivierungsregimes in das vom Verbundpartner TZ-Leipzig für den Technikumsmaßstab ingenieurtechnisch konstruiert und gebaute Flat-Panel-System, welches in enger Kooperation mit der Linbec UG am Standort Köthen betrieben wurde. Mit dem Vorhaben sollte ein wesentlicher Beitrag zur nachhaltigen Gewinnung von Bioenergie und biotechnologisch erzeugten Chemikalien geleistet werden.

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