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HINTERGRUND
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(a) Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Medium zur Kultivierung von Mikroalgen mit einem hohen Gehalt an Stärke und ein Verfahren zur Kultivierung von Mikroalgen mit einem hohen Gehalt an Stärke unter Verwendung derselben.
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(b) Stand der Technik
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Das 24. Jahrhundert hat eine rapide Industrialisierung mit sich gebracht, welche zum Verbrauch von fossilen Brennstoffen, insbesondere Erdöl, beigetragen hat, und der wachsende Bedarf an Erdöl ist durch die rapide Industrialisierung und das Bevölkerungswachstum getragen worden. Jedoch ist Erdöl keine erneuerbare Ressource und hat eine limitierte Reserve in der Natur. Außerdem sind Kohlendioxidemissionen aus dem Verbrennen von fossilen Brennstoffen als die Hauptursache der globalen Erwärmung beschuldigt worden. In dieser Hinsicht wird in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit auf eine Verbesserung der Energieeffizienz und Alternativen zu Erdöl gelegt, um Kohlendioxidemissionen zu reduzieren.
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Eine Alternative zu fossilen Brennstoffen ist ein von Pflanzen abgeleitetes Biomassepolymer, welches aus erneuerbaren Pflanzenressourcen wie Mais, Sojabohnen, Zuckerrohr und Holz durch ein chemisches oder biologisches Verfahren hergestellt wird. Diese Form von Brennstoff hat einen kleineren Einfluss auf die Umwelt, da es Kohlendioxidemissionen anstatt der biologischen Abbaubarkeit reduziert. Unter den Biomassepolymeren ist Polymilchsäure ein linearer aliphatischer Polyester, und wird durch Stärkefermentierung von Mais und Kartoffel oder durch Polymerisation von Zuckermonomeren, welche aus Glycosylierung und Fermentierung von pflanzlicher Zellulose erhalten werden, erhalten.
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Es ist auch eine kohlenstoffneutrale, umweltfreundliche, thermoplastische Polymerquelle. Für die großtechnische Herstellung von Biomaterialien ist es jedoch wichtig, preiswerte Biomasse und Zuckerquellen sicherzustellen.
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Unter verschiedenen Biomassematerialien ist eine steigende Aufmerksamkeit auf Mikroalgen gerichtet worden, da Mikroalgen eine vielversprechende nachhaltige Quelle sind, die schnell wachsen, einen hohen Gehalt an Lipid haben und nicht mit Nahrungsmittelressourcen in Wettbewerb stehen. Aus den Biomassematerialien, die eine Alternative zu fossilen Brennstoffen sind, werden Algen als eine vielversprechende kommende Alternative angesehen, die nicht mit Nahrungsmittelressourcen in Wettbewerb steht.
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Insbesondere sind Mikroalgen ein photosynthetischer Organismus, welcher organische Verbindungen aus Wasser und Kohlendioxid durch Sonnenenergie herstellen kann. Generell werden Algen klassifiziert zu Mikroalgen und Makroalgen. Aus den vielen Arten von Mikroalgen wurden Mikroalgen mit einem hohen Anteil an Lipiden aktiv untersucht für die Herstellung von elektrischer Energie und Biokraftstoffen.
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Als Biomasse werden Mikroalgen verwendet bei der Herstellung von Biodiesel durch Transesterifizierung, der Herstellung von Ethanol oder Methan durch Fermentierung, der Herstellung von Methan oder Wasserstoff durch Vergasung, der Herstellung von gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen durch Pyrolyse, und der Herstellung von Wärme oder elektrischer Energie durch Verbrennung. In der Tat ist die Biodieselherstellung durch Transesterifizierung von Lipiden, die in der Biomasse enthalten sind, weltweit vollständig kommerzialisiert. Jedoch benötigt die Rückgewinnung von Kohlenhydraten (Pentose, Hexose) durch Glycosilierung eine Technik zur Kultivierung von Mikroalgen mit einem hohen Anteil von Stärke, welche im Vergleich noch in ihrer Anfangsphase ist.
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Algenwachstum benötigt generell Silizium, eine kleine Menge an anorganischen Materialien, Vitamine oder ähnliches, zusätzlich zu essentiellen Elementen wie Stickstoff und Phosphor, und der Umfang ihres Wachstums ist durch einen geeigneten Gradienten eines jeden Elements bestimmt. Siehe Schindler 1974, Han, 2000, Lund, 1950. In der Natur wachsen grüne Algen aktiv bei einem hohen Verhältnis von Stickstoff/Phosphor, und kleine kugelförmige Zellen wie Chlorella wachsen aktiv bei einem hohen Anteil von Nitrat oder Ammoniak. Chlorella ist ein kleines, einzelliges Phytoplankton und ist eine kugelförmige Zelle mit einem Durchmesser von ungefähr 3–10 μm. Es wächst auch rapide unter schlechten Wachstumsbedingungen, beinhaltend geringes Licht und Temperatur.
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Es hat ungefähr 30 verschiedene Arten von Medien zur Kultivierung von Chlorella gegeben. Bis jetzt ist das am meisten bekannte Medium für Chlorella Allen's Medium mit einem hohen Anteil von Stickstoff und Phosphor. Solche Medien sind einfach entwickelt für den Zweck, Algenwachstum zu ermöglichen, aber es hat keine Studien gegeben, Medien zu entwickeln, welche zur Maximierung des Anteils an Stärke in den Mikroalgen verwendet werden können.
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Die obige Information, die in diesem Hintergrundabschnitt offenbart ist, ist nur für eine Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung, und daher kann es Information enthalten, die nicht den Stand der Technik bildet, die schon in diesem Land dem Fachmann bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt ein spezifisches Medium zur Kultivierung von Mikroalgen zur Maximierung des Anteils von Stärke in den Mikroalgen zur Verfügung. In einer veranschaulichenden Ausführungsform beinhaltet ein Medium zur Kultivierung von Mikroalgen der vorliegenden Erfindung NaNO3, K2HPO4, MgCl2,·6H2O, Na2CO3, CaCl2, Ethylendiamin-Tetraacetat, Zitronensäure und Na2SiO3·9H2O oder Eisencitrat. Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Kultivierung von Mikroalgen unter Verwendung des Mediums zur Verfügung.
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Weitere Aspekte und bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung sind unten stehend diskutiert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon beschrieben, die durch die beiliegende Zeichnung veranschaulicht sind, die hier nur zur Veranschaulichung angegeben ist, und daher die vorliegende Erfindung nicht beschränkt, und wobei:
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1 ein Foto ist, das Mikroalgen zeigt, die unter Verwendung des Mediums von Beispiel 1 kultiviert sind.
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Es sollte verstanden sein, dass die angehängten Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu sind, und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen präsentieren, die die grundlegenden Prinzipien der Erfindung darstellen. Die spezifischen Auslegungsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie hier offenbart, beinhaltend beispielsweise spezifische Abmessungen, Orientierungen, Lagen und Formen, werden teilweise durch die speziell beabsichtigte Verwendung und die Verwendungsumgebung bestimmt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nachfolgend wird Bezug genommen im Detail auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, von der Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind und unten stehend beschrieben sind. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, ist es klar, dass die vorliegende Beschreibung nicht beabsichtigt, die Erfindung auf diese beispielhaften Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz ist es für die Erfindung beabsichtigt, nicht nur dies beispielhaften Ausführungsformen zu umfassen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifizierungen, Äquivalente und andere Ausführungsformen, welche im Geiste und Umfang der Erfindung, wie durch die angehängten Ansprüche definiert, beinhaltet sein können.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Medium zur Kultivierung von Mikroalgen, welches ungefähr 80–90 Gew.-% von NaNO3, ungefähr 2,0–3,0 Gew.-% von K2HPO4, ungefähr 4,0–8,0 Gew.-% von MgCl2·6H2O, ungefähr 1,0–2,0 Gew.-% von Na2CO3, ungefähr 1,0–2,0 Gew.-% von CaCl2, ungefähr 1,0 bis 4,0 Gew.-% von Ethylendiamin-Tetraacetat, ungefähr 0,3–0,5 Gew.-% von Zitronensäure und ungefähr 0,3–0,6 Gew.-% von Na2SiO3·9H2O oder Eisencitrat beinhaltet.
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Die Mikroalgen sind bevorzugt eine Mikroalge Chlorella, welche die am weitesten studierte kolonieartige Alge ist, und einen weiten Umfang an industriellen Anwendungen hat. Die Zellen unterziehen sich einer asexuellen Vermehrung und teilen sich in vier, acht, oder 16 Zellen und wachsen in Meerwasser oder Süßwasser. Es gibt eine Anzahl von Arten, welche dem Fachmann bekannt sind. Mit den Unterschieden zwischen Arten hängt das Wachstum und die Ausbreitung von Chlorella generell ab von der Temperatur und der Lichtintensität, die während des photosynthetischen Wachstums und der Ausbreitung zur Verfügung gestellt werden. Daher wird die Ausbeute von Chlorella stark durch die Photoperiode und Temperatur beeinflusst. Die Konzentration von organischem Stickstoff oder der Kohlenstoffquelle ist auch ein bedeutender Faktor zusammen mit der Temperatur und pH Kontrolle. Die chemische Zusammensetzung von Chlorella variiert stark, abhängig von den Bedingungen. Die Zusammensetzung variiert im Bereich der Proteine von ungefähr 50–60%, von Zucker von ungefähr 15–25%, und von Lipiden von ungefähr 2–65%, abhängig von den Kultivierungsbedingungen. Insbesondere ist der Anteil an Lipiden sehr stark variierend.
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In der vorliegenden Erfindung wird ein spezieller Bestandteil im Medium kontrolliert, um eine Zunahme in der Anzahl an Individuen zu regulieren. Speziell wird der Schwefelgehalt im Medium reguliert, um eine Anstieg in der Anzahl an Individuen zu verhindern. Die vorliegenden Ergebnisse zeigten, dass eine Reduzierung des Schwefelgehalts sehr effektiv ist. Wenn der Schwefelgehalt reduziert ist, wird die Zellteilung in bemerkenswerter Weise reduziert, und daher werden Kohlenwasserstoffe in einer jeden Zelle nicht verwendet als eine Energiequelle, was zu einem Anstieg im Stärkegehalt führt.
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Das Medium zur Kultivierung von Mikroalgen hat die folgende Zusammensetzung.
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NaNO3 (Natriumnitrat) ist die Stickstoffquelle. Zusammen mit Phosphor ist NaNO3 notwendig für nicht-stickstofffixierende Algen als ein essentieller Nährstoff, und es ist daher ein essentieller Bestandteil der Mediumszusammensetzung. Der bevorzugte Anteil davon ist ungefähr 80 bis 90 Gew.-%. Selbst wenn der Stickstoffanteil weniger als ungefähr 80 Gew.-% ist, kann das Wachstum nicht beeinflusst sein. Jedoch ist ein solcher Stickstoffanteil essentiell für eine Anreicherungskultur. Ein übermäßiger Anteil an Stickstoff kann auf der anderen Seite zu Überwucherung von Algen führen, was zu Deformierung oder Nekrose führt.
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K2HPO4 (Dikaliumphosphat) wird verwendet als Quelle von Phosphor, und ist essentiell für die Synthese von cytoplasmischen Proteinen und Nukleinsäuren, und ist daher ein essentieller Bestandteil, der die Mediumszusammensetzung ausmacht, zusammen mit Stickstoff. Der bevorzugte Anteil daran ist ungefähr 2,0 bis 3,0 Gew.-%, und er sollte nicht geringer sein als Eutrophierungsparameter (25 relativ zu Stickstoff). Wenn der Phosphoranteil jedoch zu hoch ist, kann das Wachstum gehemmt sein, und im speziellen kann die Wachstumsrate von unerwünschten Algen größer sein als die von gewünschten Algen bei einer gemischten Kultivierung.
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MgCl2·6H2O wird hierin verwendet anstelle von MgSO4·7H2O, welches generell verwendet wird. Es ist eine Quelle von Magnesium anstelle von MgSO4·7H2O, und hemmt auch die Zellteilung, während es nicht die Synthese von zellulären Proteinen, Aminosäuren und Chlorophyll beeinflusst, da es frei von Sulfat ist. MgCl2·6H2O stellt also Magnesium zur Verfügung, aber stellt kein Sulfat zur Verfügung, und daher werden Kohlenwasserstoffe in einer jeden Zelle nicht als eine Energiequelle verwendet, was zu einem Anstieg im Stärkegehalt führt. Insbesondere ist der bevorzugte Gehalt daran ungefähr 4,0 bis 8,0 Gew.-%.
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Na2CO3 (Natriumcarbonat) spielt auch eine wichtige Rolle beim Pumpen durch die Zellmembran und tritt als Quelle von Kohlenstoff auf, und ist daher ein essentieller Bestandteil, der die Mediumszusammensetzung bildet. Der bevorzugte Gehalt ist ungefähr 1,0 bis 2,0 Gew.-%, und ein übermäßiger Anteil davon kann zu einer Änderung der Wasserstoffionenkonzentration führen, was zur Nekrose führt.
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CaCl2 (Calciumchlorid) ist eine Hauptquelle von Calcium und am Metabolismus durch die Zellmembran und den Membranenzymaktivitäten beteiligt, und daher ein essentieller Bestandteil, welcher die Mediumszusammensetzung bildet. Der bevorzugte Gehalt ist ungefähr 1,0 bis 2,0 Gew.-%. Falls der Gehalt jedoch zu gering ist, können die Effizienz des Energiemetabolismus oder die Membranenzymaktivitäten reduziert sein. Falls der Gehalt zu hoch ist, sammelt es sich in der Zelle und führt zu Zellalterung.
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Ethylendiamin-Tetraacetat (EDTA) bindet mit Metallionen im natürlichen Wasser oder künstlichen Wasser, um diese zum zellulären Metabolismus bereitzustellen. Ein übermäßiger Anteil davon ist jedoch schädigend für den zellulären Metabolismus und die Zellwand und verschlechtert den Effekt von Metallionen wie Mineralien. Daher ist der bevorzugte Gehalt davon ungefähr 1,0 bis 4,0 Gew.-%.
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Zitronensäure ist ein bedingter Bestandteil als eine Kohlenstoffquelle in der Mediumszusammensetzung, aber essentiell für die Kultivierung von grünen Algen. Der bevorzugte Gehalt davon ist ungefähr 0,3 bis 0,5 Gew.-%, und ein übermäßiger Anteil davon kann jedoch zu Problemen der Änderung des pH des Mediums führen.
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Na2SiO3·9H2O (Natriummetasilicat Nonahydrat) ist eine Quelle von Silizium, und kann in einer Menge von ungefähr 0,3 bis 0,6 Gew.-% verwendet werden. Falls es nicht berücksichtigt ist, kann Eisencitrat als eine Quelle von Eisen alternativ verwendet werden, im selben Gehalt von ungefähr 0,3 bis 0,6 Gew.-%.
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Zusätzlich zur obigen Mediumzusammensetzung können ein oder mehrere Hydrate, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus H3BO3 (Borsäure), MnCl2·4H2O (Manganchlorid Tetrahydrat), ZnSO4·7H2O (Zinksulfat Heptahydrat), Na2MoO4·2H2O (Natriummolybdat Dihydrat), CuSO4·5H2O (Kupfersulfat Pentahydrat) und Co(NO3)2·6H2O (Cobaltnitrat Hexahydrat), beinhaltet sein, und der bevorzugte Gehalt davon ist ungefähr 0,01 bis 0,5 Gew.-%.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Kultivierung von Mikroalgen unter Verwendung des Mediums. Speziell können Mikroalgen kultiviert werden unter Tagesbedingungen von ungefähr 33–37°C und ungefähr 770–790 μmol/(m2S–1) und nächtlichen Bedingungen von ungefähr 13 bis 17°C und ungefähr 13 bis 17 μmol/(m2S–1). Speziell können die Mikroalgen eine Mikroalge Chlorella sein.
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BEISPIELE
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Von hieran wird die vorliegende Erfindung im Detail mit Bezug auf Beispiele beschrieben. Jedoch ist es nicht beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung durch diese Beispiele eingeschränkt ist.
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Beispiel
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Chlorella vulgaris Beijerinck (Korean Marine Microalgae Culture Center, FC-015) wurde verwendet. Es wurde kultiviert bei einer Tageslichtintensität von 780 μmol/(m2S–1) und bei einer nächtlichen Lichtintensität von 15 μmol/(m2S–1), und die Temperatur wurde bei einer Tagestemperatur von ungefähr 35°C und einer Nachttemperatur von ungefähr 15°C beibehalten.
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Das Medium wurde hergestellt entsprechend der folgenden Zusammensetzung gemäß Tabelle 1. [Tabelle 1]
Gew.-% | Beispiel 1 | Beispiel | Vergleichsbeispiel 1 | Vergleichsbeispiel 2 | Vergleichsbeispiel 3 |
NaNO3 | 86.8 | 87.3 | 86.8 | 87.3 | 85.3 |
K2HPO4 | 2.0 | 2.0 | 2.0 | 2.0 | 2.0 |
MgCl2·6H2O | 4.5 | 4 | - | - | - |
MgSO4·7H2O | - | - | 4.5 | 4 | 6 |
Na2CO3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 |
CaCl2 | 1.8 | 1.8 | 1.8 | 1.8 | 1.8 |
EDTA | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 |
Zitronensäure | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
Na2SiO3·9H2O | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
H3BO3 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
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TESTBEISPIELE
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Nach einer Kultivierung für 30 Stunden entsprechend des Verfahrens des Beispiels, wurden das Trockengewicht und der Stärkeanteil in der folgenden Weise gemessen. Die Ergebnisse sind der folgenden Tabelle 2 angezeigt.
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[Analysemethode]
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Analyse des Trockengewichts
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Ungefähr 5 cc des Kulturmediums wurden genommen und mit destilliertem Wasser gewaschen, gefolgt von Zentrifugieren. Anschließend wurde das Resultierende bei 100°C für 12 Stunden getrocknet, und dann wurde das Gewicht gemessen.
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Messung des Stärkeanteils
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Ungefähr 5 cc der kultivierten Mikroalgen wurden entnommen und zentrifugiert. Im Anschluss wurden die Mikroalgen bei –20°C gefroren und dann fein pulverisiert. 80 Vol.-% von Ethanol wurden fünf Mal damit gemischt, und Pigmente wurden extrahiert. Dann wurden 30 Vol.-% von Perchlorsäure zum Rückstand zugegeben, gemischt und zentrifugiert. Die Extraktion wurde wiederholt, bis insgesamt 10 cc des Extrakts erhalten wurden. 0,5 cc davon wurden genommen, und mit einer Anthronlösung gemischt (2 g von Anthron in 1 L von 72 Vol.-% Schwefelsäure), und in einem 100°C Wasserbad für 10 Minuten belassen. Die Temperatur wurde auf Raumtemperatur gesenkt, und die Absorption wurde bei 625 nm unter Verwendung eines UV-VIS Spectrophotometers gemessen. Eine Kalibrierkurve für Glukose wurde erzeugt. [Tabelle 2]
Bereich | Beispiel | Vergleichsbeispiel |
1 | 2 | 1 | 2 | 3 |
Trockengewicht | 1.4 g/L | 1.5 g/L | 3.1 g/L | 2.9 g/L | 3.0 g/L |
Stärkegehalt im Trockengewicht
(Gew.-%) | 60 | 59 | 16 | 16 | 15 |
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Wie in den Ergebnissen gezeigt, wiesen die Vergleichsbeispiele nach 30 Stunden Kultivierung ungefähr 16% an Stärkegehalt im Trockengewicht auf, aber die Beispiele zeigten ungefähr 60 Gew.-%, was darauf hinweist, dass der Gesamtstärkegehalt in der Endanzahl an Zellen der Beispiele doppelt oder mehr als der der Vergleichsbeispiele war.
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Effekt der Erfindung
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Das Medium der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden zur Kultivierung von Mikroalgen mit einem hohen Anteil an Stärke, und dadurch können Biomassematerialien hergestellt werden bei geringen Produktionskosten, wodurch kostengünstige Optionen zur Verfügung gestellt werden. Folglich können die herkömmlichen erdölbasierenden Polypropylenmaterialien ersetzt werden mit von Biomasse abgeleiteten Materialien, welche für Innen- und Außenmaterialien von Fahrzeugen angewandt werden können. In Beachtung des jüngsten Trends von hohen Ölpreisen kann daher die Abhängigkeit von erdölbasierenden Produkten reduziert werden, und die Herstellungskosten für Innen- und Außenmaterialien können auch sehr stark reduziert werden.
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Die Erfindung ist im Detail beschrieben worden mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen davon. Jedoch ist es dem Fachmann bekannt, dass Änderungen an diesen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne sich von den Prinzipien und dem Geist der Erfindung zu entfernen, deren Umfang in den angehängten Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Schindler 1974, Han, 2000, Lund, 1950 [0008]