Kultur von Mikroalgen in Brütereien - Culture of microalgae in hatcheries
Mikroalgen oder mikroskopische Algen wachsen entweder in Meer- oder Süßwassersystemen. Sie sind Primärproduzenten in den Ozeanen, die in Gegenwart von Sonnenlicht Wasser und Kohlendioxid in Biomasse und Sauerstoff umwandeln .
Die älteste dokumentierte Verwendung von Mikroalgen liegt vor 2000 Jahren, als die Chinesen während einer Hungersnot die Cyanobakterien Nostoc als Nahrungsquelle nutzten . Eine andere Art von Mikroalgen, die Cyanobakterien Arthrospira ( Spirulina ), waren bereits im 16.
Heute werden kultivierte Mikroalgen als Direktfutter für Menschen und landwirtschaftliche Nutztiere sowie als Futter für kultivierte Wasserarten wie Weichtiere und die frühen Larvenstadien von Fischen und Krebstieren verwendet. Es ist ein potenzieller Kandidat für die Biokraftstoffproduktion . Mikroalgen können 20- bis 30-mal schneller wachsen als herkömmliche Nahrungspflanzen und müssen nicht um Ackerland konkurrieren. Da die Mikroalgenproduktion für so viele kommerzielle Anwendungen von zentraler Bedeutung ist, besteht ein Bedarf an Produktionstechniken, die die Produktivität steigern und wirtschaftlich rentabel sind.
Häufig kultivierte Mikroalgenarten
| Spezies | Anwendung |
|---|---|
| Chaetoceros sp. | Aquakultur |
| Chlorella vulgaris | Quelle für natürliche Antioxidantien |
| Dunaliella salina | Produzieren Carotinoide ( β-Carotin ) |
| Hämatococcus sp. | Produzieren Carotinoide ( β-Carotin ), Astaxanthin , Canthaxanthin |
| Phaeodactylum tricornutum | Quelle von Antioxidantien |
| Porphyridium cruentum | Quelle von Antioxidantien |
| Rhodella sp. | Farbstoff für Kosmetik |
| Skeletonema sp | Aquakultur |
| Arthrospira- Maxima | Hohe Proteingehalt - Nahrungsergänzungsmittel |
| Arthrospira platensis | Hohe Proteingehalt - Nahrungsergänzungsmittel |
Produktionstechniken für Brütereien
In Brütereien werden eine Reihe von Mikroalgenarten produziert und auf vielfältige Weise kommerziell genutzt. Studien haben als Hauptfaktoren für den Erfolg eines Mikroalgenbrutsystems die Abmessungen des Behälters/Bioreaktors, in dem die Mikroalgen kultiviert werden, die Exposition gegenüber Licht/ Bestrahlung und die Konzentration der Zellen im Reaktor geschätzt .
Offenes Teichsystem
Diese Methode wird seit den 1950er Jahren angewendet. Die Kultivierung von Mikroalgen mit dem offenen Teichsystem hat zwei Hauptvorteile . Erstens ist ein offenes Teichsystem einfacher zu bauen und zu betreiben. Zweitens sind offene Teiche billiger als geschlossene Bioreaktoren, da geschlossene Bioreaktoren ein Kühlsystem benötigen. Ein Nachteil bei der Verwendung von offenen Teichsystemen ist jedoch die verringerte Produktivität bestimmter kommerziell wichtiger Stämme wie Arthrospira sp. , wo das optimale Wachstum durch die Temperatur begrenzt ist. Allerdings ist es möglich, Abwärme und CO2 aus industriellen Quellen zu nutzen, um dies zu kompensieren.
Luftheber-Methode
Diese Methode wird in der Freilandkultur und Produktion von Mikroalgen verwendet; wo Luft innerhalb eines Systems bewegt wird, um Wasser zu zirkulieren, wo Mikroalgen wachsen. Die Kultur wird in transparenten Röhren gezüchtet, die waagerecht auf dem Boden liegen und durch ein Rohrnetz verbunden sind. Luft wird durch das Rohr geleitet, so dass Luft aus dem Ende entweicht, das sich im Inneren des Reaktors befindet, der die Kultur enthält und einen Effekt wie Rühren erzeugt.
Geschlossene Reaktoren
Der größte Vorteil der Kultivierung von Mikroalgen in einem geschlossenen System bietet die Kontrolle über die physikalische, chemische und biologische Umgebung der Kultur. Dieses Mittel Faktoren, die in offenen Systemen pond wie Verdampfung, Temperatur schwierig zu kontrollieren sind Steigungen und Schutz vor Umgebungskontamination make geschlossenen Reaktoren bevorzugt über offene Systeme. Photobioreaktoren sind das wichtigste Beispiel für ein geschlossenes System, in dem abiotische Faktoren kontrolliert werden können. Zur Kultivierung von Mikroalgen wurden bisher mehrere geschlossene Systeme getestet, von denen im Folgenden einige wichtige genannt werden:
Horizontale Photobioreaktoren
Dieses System umfasst Rohre, die auf dem Boden verlegt werden, um ein Netz von Schleifen zu bilden. Das Mischen der suspendierten Mikroalgenkultur erfolgt durch eine Pumpe, die die Kultur in zeitlich festgelegten Intervallen vertikal in einen Photobioreaktor anhebt . Studien haben gezeigt, dass gepulstes Mischen in Intervallen bessere Ergebnisse liefert als die Verwendung von kontinuierlichem Mischen. Photobioreaktoren wurden auch mit einer besseren Produktion in Verbindung gebracht als offene Teichsysteme, da sie bessere Temperaturgradienten aufrechterhalten können. Ein Beispiel für die höhere Produktion von Arthrospira sp. als Nahrungsergänzungsmittel verwendet, wurde aufgrund eines besser angepassten Temperaturbereichs und einer verlängerten Kultivierungszeit über die Sommermonate eine höhere Produktivität zugeschrieben.
Vertikale Systeme
Diese Reaktoren verwenden vertikale Polyethylen- Hülsen, die an einem Eisenrahmen aufgehängt sind. Alternativ können auch Glasröhrchen verwendet werden. Mikroalgen werden auch in vertikalen Alveolarplatten (VAP) kultiviert, die eine Art Photobioreaktor sind . Dieser Photobioreaktor zeichnet sich durch eine geringe Produktivität aus. Dieses Problem kann jedoch durch Modifizieren des Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen überwunden werden ; wobei ein höheres Verhältnis die Produktivität steigern kann. Mischen und Sauerstoffentzug sind Nachteile dieses Systems und können durch kontinuierliches Einblasen von Luft mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit angegangen werden. Die beiden Haupttypen von vertikalen Photobioreaktoren sind der Durchfluss-VAP und der Blasensäulen-VAP.
Flachreaktoren
Flachplattenreaktoren (FPR) werden aus schmalen Platten gebaut und horizontal platziert, um den Sonnenlichteintrag in das System zu maximieren. Das Konzept hinter FPR besteht darin, das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen so zu erhöhen, dass Sonnenlicht effizient genutzt wird. Dieses System der Mikroalgenkultur galt ursprünglich als teuer und unfähig, die Kultur zu zirkulieren. Daher wurden FPRs für die kommerzielle Produktion von Mikroalgen insgesamt als nicht praktikabel angesehen. Ein experimentelles FPR-System in den 1980er Jahren verwendete jedoch eine Zirkulation innerhalb der Kultur von einer Gasaustauscheinheit über horizontale Platten. Dies überwindet Zirkulationsprobleme und bietet den Vorteil einer offenen Gasübertragungseinheit, die die Sauerstoffansammlung reduziert. Beispiele für den erfolgreichen Einsatz von FPRs finden sich in der Herstellung von Nannochloropsis sp. wird wegen seines hohen Astaxanthinspiegels verwendet .
Fermenterreaktoren
Fermenterreaktoren (FTR) sind Bioreaktoren, in denen eine Fermentation durchgeführt wird. FTRs haben sich bei der Kultivierung von Mikroalgen nicht sehr entwickelt und haben einen Nachteil im Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und eine verringerte Effizienz bei der Nutzung des Sonnenlichts. FTR wurden unter Verwendung einer Kombination aus Sonne und Kunstlicht entwickelt und haben zu einer Senkung der Produktionskosten geführt. Die verfügbaren Informationen über großmaßstäbliche Gegenstücke zu den in Entwicklung befindlichen Systemen im Labormaßstab sind jedoch sehr begrenzt. Der Hauptvorteil besteht darin, dass extrinsische Faktoren wie Licht kontrolliert und die Produktivität gesteigert werden kann, sodass FTR eine Alternative für Produkte für die pharmazeutische Industrie werden kann.
Kommerzielle Anwendungen
Verwendung in Aquakultur
Mikroalgen sind eine wichtige Nahrungsquelle und werden häufig in der Aquakultur anderer Organismen verwendet, entweder direkt oder als zusätzliche Quelle für Grundnährstoffe. Aquakulturbetriebe, die Larven von Weichtieren , Stachelhäutern , Krebstieren und Fischen aufziehen , verwenden Mikroalgen als Nahrungsquelle. Geringe Bakterien- und hohe Mikroalgenbiomasse ist eine entscheidende Nahrungsquelle für die Aquakultur von Schalentieren.
Mikroalgen können den Anfang einer Kette weiterer Aquakulturprozesse bilden. Mikroalgen sind beispielsweise eine wichtige Nahrungsquelle in der Aquakultur von Salzgarnelen . Salzgarnelen produzieren ruhende Eier, sogenannte Zysten , die über lange Zeiträume gelagert und dann bei Bedarf ausgebrütet werden können, um eine bequeme Form des Lebendfutters für die Aquakultur von Fischlarven und Krebstieren bereitzustellen .
Andere Anwendungen von Mikroalgen in der Aquakultur umfassen die Steigerung der Ästhetik von in Gefangenschaft gezüchteten Flossenfischen. Ein Beispiel hierfür ist die Lachs-Aquakultur , bei der Mikroalgen verwendet werden, um das Lachsfleisch rosiger zu machen. Dies wird durch die Zugabe von natürlichen Farbstoffen, die Carotinoide wie Astaxanthin enthalten, das aus der Mikroalge Haematococcus gewonnen wird , zum Futter von Nutztieren erreicht. Zwei Mikroalgenarten, I. galbana und C. calcitrans, bestehen hauptsächlich aus Proteinen, die verwendet werden, um die Farbe von Lachs und verwandten Arten aufzuhellen.
Menschliche Ernährung
Die wichtigsten Mikroalgenarten, die als Reformkost angebaut werden, sind Chlorella und Spirulina ( Arthrospira platensis ). Die Hauptproduktionsformen erfolgen in kleinen Teichen mit künstlichen Mischern. Arthrospira platensis ist eine blaugrüne Mikroalge mit einer langen Geschichte als Nahrungsquelle in Ostafrika und im vorkolonialen Mexiko. Spirulina ist reich an Proteinen und anderen Nährstoffen und wird als Nahrungsergänzungsmittel und bei Mangelernährung verwendet. Sie gedeiht in offenen Systemen und kommerzielle Züchter haben festgestellt, dass sie gut für den Anbau geeignet ist. Einer der größten Produktionsstandorte ist der Texcoco-See in Zentralmexiko. Die Pflanzen produzieren eine Vielzahl von Nährstoffen und hohe Mengen an Protein und werden oft kommerziell als Nahrungsergänzungsmittel verwendet. Chlorella hat eine ähnliche Ernährung wie Spirulina und ist in Japan sehr beliebt . Es wird auch als Nahrungsergänzungsmittel mit möglichen Auswirkungen auf den Stoffwechsel verwendet .
Die Produktion von langkettigen Omega-3 - Fettsäuren wichtig für die menschliche Ernährung kann auch durch Mikroalgen kultiviert werden Brüterei Systeme.
Australische Wissenschaftler der Flinders University in Adelaide experimentierten mit der Verwendung mariner Mikroalgen zur Herstellung von Proteinen für den menschlichen Verzehr und stellten Produkte wie " Kaviar " , vegane Burger , künstliches Fleisch , Marmeladen und andere Brotaufstriche her . Durch die Manipulation von Mikroalgen in einem Labor konnte der Protein- und andere Nährstoffgehalt erhöht und der Geschmack verändert werden, um sie schmackhafter zu machen. Diese Lebensmittel hinterlassen einen viel geringeren CO2-Fußabdruck als andere Proteinformen, da die Mikroalgen Kohlendioxid eher absorbieren als produzieren , was zu den Treibhausgasen beiträgt .
Biokraftstoffproduktion
Um den Bedarf an fossilen Brennstoffen zu decken , werden alternative Brennstoffe untersucht. Biodiesel und Bioethanol sind erneuerbare Biokraftstoffe mit großem Potenzial, die in der aktuellen Forschung wichtig sind. Allerdings Landwirtschaft auf Basis erneuerbarer Energieträger möglicherweise nicht vollständig nachhaltig und somit nicht in der Lage sein können , fossile Brennstoffe zu ersetzen. Mikroalgen können bemerkenswert reich an Ölen (bis zu 80 % Trockengewicht der Biomasse ) sein, die sich für die Umwandlung in Kraftstoff eignen. Darüber hinaus sind Mikroalgen produktiver als landwirtschaftliche Nutzpflanzen und könnten daher auf lange Sicht nachhaltiger sein. Mikroalgen für die Biokraftstoffproduktion werden hauptsächlich in röhrenförmigen Photobioreaktoren hergestellt .
Pharma und Kosmetik
Neuartige bioaktive chemische Verbindungen können wie sulfatierte Polysaccharide aus Mikroalgen isoliert werden . Zu diesen Verbindungen gehören Fucoidane , Carrageenane und Ulvans , die wegen ihrer vorteilhaften Eigenschaften verwendet werden. Diese Eigenschaften sind Antikoagulanzien , Antioxidantien , Antikrebsmittel , die in der medizinischen Forschung getestet werden.
Rote Mikroalgen zeichnen sich durch Pigmente aus, sogenannte Phycobiliproteine , die natürliche Farbstoffe enthalten, die in Pharmazeutika und/oder Kosmetika verwendet werden .
Biodünger
Blaualgen wurden zuerst als Mittel zur Stickstoffbindung verwendet, indem sie Cyanobakterien ermöglichten , sich im Boden zu vermehren und als Biodünger wirken . Die Stickstofffixierung ist wichtig, um anorganische Verbindungen wie Stickstoff in organische Formen umzuwandeln, die dann von Pflanzen verwendet werden können. Der Einsatz von Cyanobakterien ist eine wirtschaftlich sinnvolle und umweltschonende Methode zur Produktivitätssteigerung. Diese Methode wurde für die Reisproduktion in Indien und im Iran verwendet, wobei die stickstoffbindenden Eigenschaften frei lebender Cyanobakterien genutzt wurden, um den Stickstoffgehalt in Böden zu ergänzen.
Andere Verwendungen
Mikroalgen sind eine Quelle für wertvolle Moleküle wie Isotope, dh chemische Varianten eines Elements, die verschiedene Neutronen enthalten. Mikroalgen können effektiv Isotope von Kohlenstoff ( 13 C), Stickstoff ( 15 N) und Wasserstoff ( 2 H) in ihre Biomasse einbauen . 13 C und 15 N werden verwendet, um den Kohlenstofffluss zwischen verschiedenen trophischen Ebenen/Nahrungsnetzen zu verfolgen. Kohlenstoff-, Stickstoff- und Schwefelisotope können auch verwendet werden, um Störungen in Bodenbewohnern zu bestimmen, die ansonsten schwer zu untersuchen sind.
Themen
Die Zellbrüchigkeit ist das größte Problem, das die Produktivität von geschlossenen Photobioreaktoren einschränkt . Schäden an Zellen können der turbulenten Strömung innerhalb des Bioreaktors zugeschrieben werden, die erforderlich ist, um eine Durchmischung zu erzeugen, damit allen Zellen Licht zur Verfügung steht.