Bioreaktor
Sind Algen die Rohstoffquelle der Zukunft?
Diese Fragestellung ergibt sich aus der Notwendigkeit über Alternativen zur aktuellen Rohstoffnutzung und der damit verbunden Ressourcenknappheit nachzudenken. Die umweltfreundliche und nachhaltige Produktion von Öl und die Speicherung von CO2 sind nur zwei der globalen Herausforderungen unserer Zeit, die mit Hilfe von Algen gelöst werden könnten. Der Stoffwechsel von Algen bietet dafür viele verschiedene Ansatzmöglichkeiten. In unserem Projekt konzentrieren wir uns auf den Einfluss biotischer Faktoren auf den Stoffwechsel der Mikroalge Nannochloropsis gaditana. Wir haben in einem selbst konstruierten Photobioreaktor getestet, ob sich die Fettsäureproduktion von Algen im Labor optimieren lässt und die dort erhaltenen Ergebnisse auch in größerem Maßstab umsetzbar sind. Dazu haben wir die im Labor ermittelten optimalen Kultivierungsbedingungen in unsere Planungen mit einfließen lassen.
Unsere Überlegungen beruhten auf dem fließenden Gleichgewicht von Stoffwechselprodukten. Diese werden in Abhängigkeit von äußeren Bedingungen für das Wachstum genutzt oder als Reserve gespeichert. Um diese Vermutung zu untersuchen, variierten wir die Konzentration verschiedener Nährsalze im Medium, in dem die Alge kultiviert wird. Dadurch wird der Organismus unter Stress gesetzt, was eine Regulation des Stoffwechsels und damit Verschiebung des Gleichgewichts zur Folge hat. Diese Veränderung konnten wir mit einem Farbstoff, der an die Fettsäuren bindet und fluoresziert, messbar machen und damit unsere Idee bestätigen. Wir zeigten, dass ein Mangel an wachstumsfördernden Faktoren zur Steigerung der Fettsäureproduktion in den Algen führt, was zukünftig die Aufreinigung von Ölen und CO2- Speicherung ermöglicht, da mithilfe unserer Bedingungen sich die Effizienz des von uns gezielt angeregten Stoffwechselwegs mehr als verdoppelt hat. Außerdem haben wir den Einfluss externer Faktoren auf die Fettproduktion qualitativ untersucht. Im Zentrum der Betrachtung steht dabei ein Enzym, dass das Verhältnis zwischen einzelnen Fettsäuren regulieren soll. Ziel dieser qualitativen Betrachtung ist es, eine Möglichkeit zu finden, die Fettsäureanteile in N. gaditana zu steuern und somit nachhaltig verschiedene Ausgangsstoffe für die chemische Industrie zu produzieren. Beispielhaft dafür haben wir versucht, die Ölzusammensetzung unserer Alge der des Palmöls anzugleichen. Wir messen die Zusammensetzung des Öls, das unsere Mikroalgen produzieren, nach einem standardisierten Verfahren der Extraktion und Aufreinigung und können somit die Qualität unserer Produkte beurteilen.
Um unsere Ziele und Ideen umzusetzen haben wir uns mit Fragestellungen verschiedener Fachgebiete beschäftigt: Die Arbeit mit der Mikroalge und die Versuche zur Regulation des Stoffwechsels repräsentieren den biologischen Teil, wir haben uns aber auch mit der chemischen Extraktion und Weiterverarbeitung der Fettsäuren beschäftigt. Weiterhin besteht ein wichtiger Teil unseres Projekts in der Skalierung der Ergebnisse in einen größeren Maßstab, wozu wir einen Photobioreaktor konstruiert haben.
Unsere Arbeit macht die Bedeutung grundlegender regulatorischer Verbindungen im Stoffwechsel der Mikroalge deutlich und zeigt, dass Mikroalgen ein hohes Potential besitzen, um in Zukunft als alternative Rohstoffquellen zu dienen. Sie könnte uneffiziente sowie ethisch nicht vertretbare aktuelle Produktionsketten ersetzen. Wir haben dazu Steuerungsmöglichkeiten aufgezeigt, die es möglich machen, die Alge als "grüne Fabrik" zu nutzen.
Die erzielten Ergebnisse stellen dabei nicht das Ende unserer Arbeit dar, sondern haben uns dazu angeregt noch nach weiteren Optimierungsmöglichkeiten zu suchen. Deshalb wollen wir in Zukunft daran forschen, ob es möglich ist, den Organismus so zu beeinflussen, dass die produzierten Produkte auch abgesondert werden. Dadurch würde der aufwendige Schritt der chemischen Extraktion und Aufreinigung entfallen und die Effizienz des Prozesses nochmal deutlich verbessert.