Algenbiotechnologie

Die Photosynthese ist als einziger Bioprozess in der Lage, mit Sonnenlicht als Energiequelle und Kohlenstoffdioxid als C-Quelle Biomasse aufzubauen. Für eine stoffliche oder energetische Nutzung photosynthetisch hergestellter Biomasse eignen sich Mikroalgen besonders gut, da die einzelligen phototrophen Organismen das Sonnenlicht effizienter ausnutzen können als höhere Pflanzen. Mikroalgen produzieren eine Vielzahl chemischer Grundstoffe wie Vitamine, Fettsäuren oder Carotinoide mit einem hohen Wertschöpfungspotenzial für die Pharma-, Nahrungsmittel-, Futtermittel-  und die Kosmetikindustrie.

Die Arbeitsgruppe Algentechnik am Fraunhofer IGB entwickelt Prozesse für die maßgeschneiderte Herstellung verschiedenster Produkte aus Mikroalgen und Cyanobakterien in Flachplatten-Airlift-Reaktoren vom Labor- bis zum Pilotmaßstab. Im Vordergrund aktueller Forschungsvorhaben steht die Verbesserung der Produktivität und Biomasseausbeute auch unter Nutzung von Abgas-CO2 und Flüssiggärresten. 

Für eine Erhöhung der Wertschöpfung aus Algenbiomasse untersuchen wir die Gewinnung verschiedener funktioneller Inhaltsstoffe aus Algenbiomasse: Carotinoide wie Fucoxanthin und Astaxanthin, die Omega-3-Fettsäure EPA als polares Glycolipid oder Proteine und Triglyceride für die Produktion von Lebensmitteln, Futtermitteln, Kosmetika, Agrarchemikalien, Biopolymere und als Ausgangsstoffe für biobasierte Polymere. Hierzu setzen wir auch neue Aufarbeitungstechnologien ein, wie beispielsweise die Extraktion von Carotinoiden und Omega-3-Fettsäuren, einen Zellaufschluss mittels Druckwechseltechnologie sowie die Extraktion mit sub- oder überkritischen Fluiden.

Durch die gezielte Prozessführung können die funktionellen Inhaltsstoffe mit hohem Gehalt bis in den Pilotmaßstab erzeugt werden. In unseren Gewächshaus- und Freilandanlagen am Fraunhofer CBP können wir die Aufarbeitung von Algeninhaltstoffen für Biomassen im 100-kg-Maßstab sowie die Überprüfung von Produktionsprozessen im Pilotmaßstab durchführen.

 

Forschungsthemen

 

Prozessentwicklung in Photobioreaktoren und Scale-up

Prozesse für die Kultivierung von Mikroalgen optimieren wir in am Fraunhofer IGB entwickelten Flachplatten-Airlift-Reaktoren im Labormaßstab mit dem Ziel der Übertragung in Freilandreaktoren. Für einen optimierten Freilandprozess haben wir ein Automatisierungskonzept mit einfacher Messtechnik entwickelt. Eine Maßstabsvergrößerung ist in unserer Pilotanlage am Fraunhofer CBP in Leuna möglich.

 

Wertstoffgewinnung

Für die Produktion von Wertstoffen wie Omega-3-Fettsäuren (EPA), Carotinoiden wie Fucoxanthin, Lutein oder Astaxanthin, aber auch von Speicherprodukte wie Öl oder Stärke, entwickeln wir ein- oder zweistufige Produktionsprozesse in Laborreaktoren mit dem Ziel der Übertragung ins Freiland. Für die Aufarbeitung der Wertstoffe erarbeiten wir effiziente Extraktionsverfahren.

 

Algenbiomasse als regenerativer Energieträger

Speicherlipide von Algen wie Triacylglyceride mit den Hauptfettsäuren C16:0, C16:1 und C18:1 eignen sich für eine direkte energetische Nutzung, während Algenstärke zur Herstellung von Bioethanol genutzt werden kann. Wir suchen geeignete Algenstämme und wählen Wachstumsbedingungen, welche die Bildung von Speicherstoffen begünstigen.

 

Einsatz von Mikroalgen im Ökolandbau

Schädlingsabwehrende Wirkstoffe aus Mikroalgen und Cyanobakterien eignen sich als ökologisch verträgliche Pflanzenschutzmittel auf biologischer Basis. Für Anwendungen im ökologischen Anbau von Kohl oder im Bio-Weinbau haben wir in abteilungsübergreifender Zusammenarbeit Prozesse zur Produktion von Mikroalgen mit Repellent- bzw. antifungischer Aktivität entwickelt.

 

Algenkultivierung mit nährstoffreichem Filtratwasser

Für die Algenkultivierung setzen wir erfolgreich auch Abwasserströme aus der Biogastechnik ein, welche anorganische Nährstoffe wie Ammonium und Phosphat enthalten.

  • Screening nach Mikroalgen und Cyanobakterien mit verschiedensten Eigenschaften und Inhaltsstoffen
  • Entwicklung photoautotropher Prozesse vom Labor- bis zum Pilotmaßstab für Mikroalgen und Cyanobakterien in Flachplatten-Airlift-Reaktoren
  • Verfahrensoptimierung zur Verbesserung der Produktivität und Biomasseausbeute auch unter Nutzung von Abgas-CO2 und Flüssiggärresten
  • Entwicklung und Anpassung von Steuerungssoftware für die Algenproduktion im Freiland
  • Entwicklung von Verfahren für die Isolierung, Frak­tio­nie­rung und Aufreinigung von Algeninhaltsstoffen unter möglichst vollständige Verwertung der verschiedenen Fraktionen
  • Auftragsproduktion von Algenbiomasse mit definierter Zusammensetzung im 100-kg-Maßstab

Infrastruktur und Geräteausstattung

Algenanlage am Fraunhofer CBP

Am Fraunhofer CBP steht die Pilotanlage und  das Gewächshaus zur freien Verfügung. Die Gesamtkapazität der Anlage beträgt 11,7 Kubikmeter in insgesamt 110 Reaktoren mit jeweils 6, 30 oder 180 Litern Volumen. Für die Freilandproduktion stehen 7,2 Kubikmeter Produktionskapazität in vier Linien mit je zehn 180-Liter-Reaktoren zur Verfügung. Im Gewächshaus kann das Scale-up erfolgen (von 6 über 30 auf 180 Liter). Der modulare Aufbau erlaubt zudem eine sehr flexible Durchführung verschiedenster Experimente.

Basis für den Anlagenbetrieb im Gewächshaus ist die vollständige Prozessautomatisierung und Überwachung unter Verwendung von »Totally Integrated Automation« der Firma Siemens. Im Einsatz ist ein »Supervisory Control And Data Acquisition System« (SCADA) zur Datenerfassung und zur Vernetzung voneinander unabhängiger Anlagenmodule.

Visuelle Kontrollen, Eingriffe seitens des Anwenders und Meldungsausgaben erfolgen über »Human Machine Interfaces« (HMI) am Anlagenstandort. Die Projektierung dieses Systems und die Entwicklung der Software wurden gänzlich durch das Fraunhofer IGB realisiert.

Diese Software ermöglicht die gezielte Zugabe von Nährstoffen wie Ammonium oder Nitrat, Phosphat und Eisen in die Kultur. Damit kann, entkoppelt von Erntezyklen, die Zellkonzentration präzise definiert auf die verfügbaren Lichtintensitäten eingestellt werden. Dies führt zu einer höheren Stabilität und Produktivität des Prozesses. Der pH-Wert wird durch die Zugabe von CO2 via Massendurchflussregler über den Luftstrom geregelt.


Algenkultivierung

  • Vollautomatisierte Pilotanlage zur Kultivierung von Mikroalgen (Gewächshaus und Freiland) basierend auf Flat-Panel-Airlift-Reaktortechnologie
    • Indoor (Gewächshaus): fünf Module mit je fünf 6-Liter-Reaktoren, fünf Module mit je fünf 30-L-Reaktoren, drei Module mit je fünf 180-L-Reaktoren – Insgesamt 65 Reaktoren mit 3,6 m³ Inhalt
    • Outdoor (Freiland): ein Modul mit fünf 180-L-Reaktoren, vier Module mit je zehn 180-L-Reaktoren – Insgesamt 45 Reaktoren mit 8,1 m³ Inhalt

 

Infomaterialien

 

Broschüre »Algen - Nachhaltige Rohstoffquelle für Werkstoffe und Energie«

Wissenschaftliche Publikationen

JAHR
YEAR
TITEL/AUTOR:IN
TITLE/AUTHOR
PUBLIKATIONSTYP
PUBLICATION TYPE
2022 Management of Hypercholesterolemia Through Dietary ß-glucans-Insights From a Zebrafish Model
Gora, A.H.; Rehman, S.; Kiron, V.; Dias, J.; Fernandes, J.M.O.; Olsvik, P.A.; Siriyappagouder, P.; Vatsos, I.; Schmid-Staiger, Ulrike; Frick, K.; Cardoso, M.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2022 Tocochromanol Profiles in Chlorella sorokiniana, Nannochloropsis limnetica and Tetraselmis suecica Confirm the Presence of 11′-α-Tocomonoenol in Cultured Microalgae Independently of Species and Origin
Montoya-Arroyo, A.; Lehnert, K.; Muñoz-González, A.; Schmid-Staiger, Ulrike; Vetter, W.; Frank, J.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2022 The Microalgae Phaeodactylum tricornutum is Well Suited as a Food with Positive Effects on the Intestinal Microbiota and the Generation of SCFA: Results from a Pre-Clinical Study
Stiefvatter, L.; Neumann, U.; Rings, A.; Frick, Konstantin; Schmid-Staiger, Ulrike; Bischoff, S.C.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2021 Immune Status and Hepatic Antioxidant Capacity of Gilthead Seabream Sparus aurata Juveniles Fed Yeast and Microalga Derived v-glucans
Reis, B.; Goncalves, A.T.; Santos, P.; Sardinha, M.; Conceicäo, L.E.C.; Serradeiro, R.; Perez-Sanchez, J.; Calduch-Giner, J.; Schmid-Staiger, U.; Frick, K.; Dias, J.; Costas, B.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2021 Oral Bioavailability of Omega-3 Fatty Acids and Carotenoids from the Microalgae Phaeodactylum tricornutum in Healthy Young Adults
Stiefvatter, L.; Lehnert, K.; Frick, K.; Montoya-Arroyo, A.; Frank, J.; Vetter, W.; Schmid-Staiger, U.; Bischoff, S.C.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2020 Coproduction of EPA and Fucoxanthin with P. tricornutum - A Promising Approach for Up‐ and Downstream Processing
Derwenskus, Felix; Schäfer, Benjamin; Müller, Jan; Frick, Konstantin; Gille, Andrea; Briviba, Karlis; Schmid-Staiger, Ulrike; Hirth, Thomas
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2020 Prozessentwicklung zur Coproduktion von Eicosapentaensäure und Fucoxanthin mit der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum
Derwenskus, Felix; Weickert, Sebastian; Frick, Konstantin; Schmid-Staiger, Ulrike; Hirth, Thomas
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2020 Verfahren sowie Vorrichtung zum Aufbereiten von Zellsuspensionen
Egner, Siegfried; Solyom, Katalin; Vasquez, Ana Lucia; VaronaIgleisias, Salima; Schmid-Staiger, Ulrike
Patent

 

2020 Economic evaluation of up- and downstream scenarios for the co-production of fucoxanthin and eicosapentaenoic acid with P. tricornutum using flat-panel airlift photobioreactors with artificial light
Derwenskus, Felix; Weickert, S.; Lewandowski, I.; Schmid-Staiger, U.; Hirth, Thomas
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2020 Verfahren zum Erhalt von Fucoxanthin und Fettsäuren aus Algenbiomasse
Derwenskus, Felix; Schmid-Staiger, Ulrike; Bringmann, Christian
Patent

 

2019 Pressurized extraction of unsaturated fatty acids and carotenoids from wet Chlorella vulgaris and Phaeodactylum tricornutum biomass using subcritical liquids
Derwenskus, Felix; Metz, Felix; Gille, Andrea; Schmid-Staiger, Ulrike; Briviba, Karlis; Schließmann, Ursula; Hirth, Thomas
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2019 Fucoxanthin, a carotenoid derived from Phaeodactylum tricornutum exerts antiproliferative and antioxidant activities in vitro
Neumann, U.; Derwenskus, Felix; Flister, V.F.; Schmid-Staiger, U.; Hirth, Thomas; Bischoff, S.C.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2019 A lipophilic fucoxanthin-rich Phaeodactylum tricornutum extract ameliorates effects of diet-induced obesity in C57BL/6J mice
Gille, Andrea; Stojnic, Bojan; Derwenskus, Felix; Trautmann, Andreas; Schmid-Staiger, Ulrike; Posten, Clemens; Briviba, Karlis; Palou, Andreu; Bonet, M. Luisa; Ribot, Joan
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2019 Organismen als Produzenten: Produktion von Wertstoffen mithilfe von Mikroorganismen, Algen und Pflanzenzellen
Rasche, Stefan; Schillberg, Stefan; Derwenskus, Felix; Schmid-Staiger, Ulrike; Schließmann, Ursula
Aufsatz in Buch
Book Article

 

2019 Outdoor microalgae cultivation at different biomass concentrations - Assessment of different daily and seasonal light scenarios by modeling
Holdmann, Claudia; Schmid-Staiger, Ulrike; Hirth, Thomas
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2018 Bioavailability and safety of nutrients from the microalgae Chlorella vulgaris, Nannochloropsis oceanica and Phaeodactylum tricornutum in C57BL/6 mice
Neumann, Ulrike; Derwenskus, Felix; Gille, Andrea; Louis, Sandrine; Schmid-Staiger, Ulrike; Briviba, Karlis; Bischoff, Stephan C.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2018 Anti-inflammatory effects of Phaeodactylum tricornutum extracts on human blood mononuclear cells and murine macrophages
Neumann, Ulrike; Louis, Sandrine; Gille, Andrea; Derwenskus, Felix; Schmid-Staiger, Ulrike; Briviba, Karlis; Bischoff, Stephan C.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2018 Keeping the light energy constant - cultivation of Chlorella sorokiniana at different specific light availabilities and different photoperiods
Holdmann, Claudia; Schmid-Staiger, Ulrike; Hornstein, Helena; Hirth, Thomas
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2017 Primary Production
Lewandowski, I.; Lippe, M.; Montoya, J.C.; Dickhöfer, U.; Langenberger, G.; Pucher, J.; Schließmann, U.; Schmid-Staiger, U.; Derwenskus, Felix; Lippert, C.
Aufsatz in Buch
Book Article

 

2016 Kultivierung von Chlorella sorokiniana SAG 211/8k bei verschiedenen Lichtintensitäten und unterschiedlichen Beleuchtungszyklen
Holdmann, Claudia; Schmid-Staiger, Ulrike; Hornstein, Helena; Hirth, Thomas
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2016 Mikroalgenbioraffinerie - Entwicklung von Zellaufschluss- und Extraktionsprozessen zur Kaskadennutzung von Mikroalgenbiomasse
Derwenskus, Felix; Schmid-Staiger, Ulrike; Schließmann, Ursula; Hirth, Thomas
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2016 Microalgae - Underestimated All-rounders
Holdmann, Claudia; Derwenskus, Felix
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2016 Kaskadenextraktion von Mikroalgenbiomasse zur Gewinnung von Wertstoffen für die Lebensmittelproduktion
Derwenskus, Felix; Metz, Felix; Hardtmann, Matthias; Schmid-Staiger, Ulrike; Schließmann, Ursula; Hirth, Thomas
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2015 First developments towards closing the nutrient cycle in a biofuel production process
Bagnoud-Velásquez, M.; Schmid-Staiger, U.; Peng, G.; Vogel, F.; Ludwig, C.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2013 Optimization of outdoor cultivation in flat panel airlift reactors for lipid production by Chlorella vulgaris
Münkel, R.; Schmid-Staiger, U.; Werner, A.; Hirth, Thomas
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2013 Hybrid life support systems with integrated fuel cells and photobioreactors for a lunar base
Belz, S.; Ganzer, B.; Messerschmid, E.; Friedrich, K.A.; Schmid-Staiger, U.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2012 Optimierung des Lipidproduktionsprozesses mit Chlorella vulgaris im Freiland hinsichtlich Lichtausbeute und Lipidgehalt
Münkel, R.; Schmid-Staiger, U.; Hirth, Thomas
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2012 Untersuchung des Zellaufschlusses von Phaeodactylum tricornutum
Schmid-Staiger, U.; Groeger, C.; Seibert, A.; Schliessmann, U.; Hirth, Thomas
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2009 Kultivierung von Mikroalgen im Photobioreaktor zur stofflichen und energetischen Nutzung
Schmid-Staiger, U.; Preisner, R.; Marek, P.; Trösch, Walter
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2009 CO2-Killer und Rohstofflieferant - Kultivierung und Nutzung von Mikroalgen
Seibert, A.; Schmid-Staiger, U.; Trösch, Walter; Hirth, Thomas
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2005 PHOTOBIOREAKTOR MIT VERBESSERTEM LICHTEINTRAG DURCH OBERFLAECHENVERGROESSERUNG, WELLENLAENGENSCHIEBER ODER LICHTTRANSPORT
Trösch, W.; Schmid-Staiger, Ulrike; Zastrow, A.; Retze, A.; Brucker, F.
Patent

 

2004 Optimization of eicosapentaenoic acid production by Phaeodactylum tricornutumin the flat panel airlift (FPA) reactor
Meiser, A.; Schmid-Staiger, U.; Trösch, Walter
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2001 A novel airlift photobioreactor with baffles for improved light utilization through the flashing light effect
Degen, J.; Uebele, A.; Retze, A.; Schmid-Staiger, U.; Trösch, Walter
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

2000 Verbesserter Abbau von kommunalen Klärschlämmen in einer zweistufigen Hochlast-Vergärungsanlage
Kempter, B.; Schmid-Staiger, U.; Trösch, Walter
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

1999 One and two-stage digestion of solid organic waste
Schober, G.; Schäfer, J.; Schmid Staiger, U.; Trösch, Walter
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article

 

1999 Verfahren zum mikrobiellen Abbau organisch belasteter Substrate
Schwarting, N.; Schmid-Staiger, Ulrike; Trösch, W.
Patent

 

1998 Verfahren zum Vergaeren von Klaerschlamm
Schaefer, J.; Trösch, W.; Schmid-Staiger, Ulrike
Patent

 

 

Diese Liste ist ein Auszug aus der Publikationsplattform Fraunhofer-Publica

 

This list has been generated from the publication platform Fraunhofer-Publica

Wiederkehrende Veranstaltung

EIT Food Kurs

Algae Biotechnology

Techniques and opportunities for the sustainable bioeconomy

 

Gelegenheit für Postgraduierte, Postdocs und Forscher aus der Industrie (Level: Professionals)

 

Der englischsprachige Kurs bietet eine Weiterbildung in Algenbiologie, -kultivierung, -wachstum und -biotechnologie anhand von Labor- und Pilotanlagen im kleinen Maßstab.

3 Teilnahmeoptionen: Online- plus Präsenzkurs / nur Online / nur Präsenz

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