DE102015120167A1

DE102015120167A1 - Algen-Kulturmedium

Info

Publication number: DE102015120167A1
Application number: DE102015120167.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Schulze; Mandy Schmidt; Sabine Mundt
Original assignee: Ernst Moritz Arndt Universitaet Greifswald
Current assignee: Universitaet Greifswald
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2017-05-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Algen-Kulturmedium mit einem Salzgehalt von 2 g/L bis 10 g/L umfassend oder bestehend aus a) 0,15 g/L bis 1 g/L NaNO3, b) 0,02 g/L bis 0,06 g/L K2HPO4, c) 0,00015 g/L bis 0,003 g/L Eisenammoniumcitrat, d) ein oder mehrere weitere Salze, wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel enthalten; und e) Wasser, wobei sich die Angaben in g/L auf das Gesamtvolumen des Algen-Kulturmediums beziehen.

Description

In den letzten Jahren und Jahrzehnten haben Mikroalgen in der Wissenschaft und Industrie stark an Bedeutung gewonnen. Dabei wurden diverse Ansätze verfolgt, um diese Organismen gewinnbringend zu nutzen. Zu Beginn der Forschungsarbeiten wurden hauptsächlich solche Algen untersucht, die sich als Nahrungs(ergänzungs)mittel nutzen lassen oder interessante bzw. seltene Inhaltsstoffe produzieren. Als Beispiel wäre hier die Astaxanthinproduktion mit Hilfe der Grünalge Haematococcus pluvialis zu nennen, die eine preiswerte Produktion dieses Farbstoffes ermöglicht.
Im Zuge der sich stetig verknappenden und verteuernden Energiepreise rückten Mikroalgen auch als Biomasselieferanten in den Fokus. Grünalgen haben als Rohstofflieferanten zur Energieproduktion gegenüber Landpflanzen einige entscheidende Vorteile: Die Biomasseproduktion liegt um den Faktor 10 bis 100 pro Anbauflächeneinheit höher, Bioreaktoren können auf landwirtschaftlich nicht nutzbarem Land aufgestellt werden und konkurrieren somit nicht um Anbaufläche für Nahrungsmittel. Weiterhin sind die Ausgangsmaterialien für die Kultivierung von Algen, wie z.B. das Sonnenlicht, Wasser und Salze, kostengünstig und nahezu überall verfügbar.
Gegenwärtig wird die effiziente Nutzung von Algenbiomasse intensiv untersucht z.B. in Forschungsprojekten, deren Ziel es ist, Möglichkeiten für die Verwertung der Biomasse als Ganzes zu eruieren. So können beispielsweise die von den Algen produzierten Lipide extrahiert und als hochwertige Bioschmierstoffe eingesetzt werden. Die verbleibende Biomasse kann dann als Substrat für die Kultivierung von Ölhefen genutzt werden, die aus den im Substrat vorhandenen Kohlenhydraten Lipide bilden, welche für die Herstellung von z.B. Flugzeugkerosin verwendet werden können. Die Restbiomasse kann schließlich als Baustoffadditiv eingesetzt werden.
Dabei sollten die Methoden für die Kultivierung der Algen möglichst kostengünstig und einfach durchzuführen sein und in kurzer Zeit hohe Ausbeuten an Biomasse mit einer optimierten Zusammensetzung an vor allem Lipiden und Kohlenhydraten ermöglichen.
Im Stand der Technik sind Methoden zur Algenkultivierung bekannt, welche bestimmte Nährstoffe im Kulturmedium variieren bzw. limitieren wodurch die Zusammensetzung der Biomasse beeinflusst werden kann. Diese Methoden werden häufig in Form von zweistufigen Kultivierungsprozessen durchgeführt: nach Kultivierung in einem Vollmedium werden die Algen abgeerntet, in einem Mangelmedium resuspendiert und anschließend wird die Kultivierung solange im Mangelmedium fortgesetzt, bis die gewünschte Biomassen-Zusammensetzung erreicht ist. Ein solcher Vorgang ist sehr zeit- und energieaufwändig und damit teuer und für eine großtechnische Kultivierung von einigen zehntausend Litern ungeeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen oder mehrere Nachteile des Standes der Technik zu vermindern oder zu vermeiden. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Algen-Kulturmedium zur Verfügung zu stellen, mit dem eine hohe Ausbeute an Biomasse erzielt werden kann und die Biomasse einen hohen Anteil an Lipiden und Kohlenhydraten, aber nur einen geringen Proteingehalt aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem Algen in einem vereinfachten einstufigen Prozess kultiviert werden können.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch Bereitstellung eines Algen-Kulturmediums mit einem Salzgehalt von 2 g/L bis 10 g/L umfassend oder bestehend aus a) 0,15 g/L bis 1 g/L NaNO₃, b) 0,02g/L bis 0,06 g/L K₂HPO₄, c) 0,00015 g/L bis 0,003 g/L Eisenammoniumcitrat, d) ein oder mehrere weitere Salze, wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel enthalten, und e) Wasser, wobei sich die Angaben in g/L auf das Gesamtvolumen des Algen-Kulturmediums beziehen.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass ein Kulturmedium mit wenigstens NaNO₃, K₂HPO₄, Eisenammoniumcitrat, einem oder mehreren weiteren Salzen enthaltend Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel sowie Wasser, für die Kultivierung von Algen verwendet werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Algen-Kulturmedium können im Vergleich zu im Stand der Technik bekannten Kulturmedien große Mengen an Algen-Biomasse hergestellt werden, wobei die Biomasse einen großen Anteil an Lipiden und Kohlenhydraten aufweist, der Anteil an Proteinen jedoch gering ist. Aufgrund der geringen Anzahl an benötigten Komponenten ist das Algen-Kulturmedium kostengünstig und einfach herzustellen.
Vorzugsweise umfasst oder besteht das erfindungsgemäße Algen-Kulturmedium aus a) 0,225 g/L bis 0,525 g/L NaNO₃, b) 0,03 g/L bis 0,05 g/L K₂HPO₄, c) 0,0003 g/L bis 0,0015 g/L Eisenammoniumcitrat, d) ein oder mehrere weitere Salze, wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel enthalten; und e) Wasser wobei sich die Angaben in g/L auf das Gesamtvolumen des Algen-Kulturmediums beziehen.
Weiterhin bevorzugt umfasst oder besteht das erfindungsgemäße Algen-Kulturmedium aus a) 0,3 g/L bis 0,45 g/L NaNO₃, b) 0,036 g/L bis 0,044 g/L K₂HPO₄, c) 0,00045 g/L bis 0,0009 g/L Eisenammoniumcitrat, d) ein oder mehrere weitere Salze, wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel enthalten; und e) Wasser, wobei sich die Angaben in g/L auf das Gesamtvolumen des Algen-Kulturmediums beziehen.
Das Algen-Kulturmedium weist einen Salzgehalt von 2 g/L bis 10 g/L auf, bevorzugt von 3 g/L bis 7 g/L, besonders bevorzugt von 4 g/L bis 6 g/L.
Soweit nachfolgend der Kontext nicht eindeutig etwas anderes ergibt, ist bei der Verwendung von Singular-Formen bzw. Plural-Formen stets sowohl die Ein- als auch die Mehrzahl umfasst.
Die Bezeichnung „Algen“ wird für eukaryotische Lebewesen verwendet, welche im Wasser leben und Photosynthese betreiben jedoch keine Pflanzen sind.
Das erfindungsgemäße Kulturmedium kann für die Kultivierung von Grünalgen (Chlorophyceae) verwendet werden, bevorzugt für Algen der Familie Scenedesmaceae, besonders bevorzugt für Algen der Gattung Scenedesmus, ganz besonders bevorzugt für Algen der Art Scenedesmus obtusisculus oder Scenedesmus ovalternus.
Der Begriff „Biomasse“ bezeichnet die gesamte organische Substanz der Algen sowie Teile davon, die aus der Gesamtheit der organischen Substanz gewonnen wurden.
Unter dem Begriff „Kulturmedium“ wird ein Nährmedium verstanden, welches für die Kultivierung von Algen geeignet ist. Das Kulturmedium kann in Form eines flüssigen Nährmediums, beispielsweise als Nährbouillon bzw. Nährlösung, vorliegen oder in Form eines festen Nährmediums, welches z.B. eine gelartige Konsistenz aufweist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Kulturmedium um ein flüssiges Nährmedium.
Das erfindungsgemäße Algen-Kulturmedium enthält Natriumnitrat (NaNO₃), Dikaliumhydrogenphosphat (K₂HPO₄) und Eisenammoniumcitrat als Nährsalze. Als „Nährsalz“ wird erfindungsgemäß ein energiearmer Stoff verstanden, welcher von den Algen in Form von Ionen aufgenommen wird. Entsprechend nehmen die Algen die Nährsalze als beispielsweise Nitrat (NO₃ ^–), Phosphat (PO₄ ^–) und Eisen (Fe⁺) auf, um aus diesen Biomasse aufzubauen. So wird z.B. der Stickstoff aus den Nitraten u.a. in Aminosäuren bzw. Proteine und auch in die Nukleinsäuren eingebaut.
Das Algen-Kulturmedium der vorliegenden Erfindung enthält als Komponente a) NaNO₃. Das NaNO₃ ist in einer Menge von 0,15 g/L bis 1 g/L enthalten, bevorzugt in einer Menge von 0,225 g/L bis 0,525 g/L, besonders bevorzugt in einer Menge von 0,3 g/L bis 0,45 g/L.
Das Algen-Kulturmedium der vorliegenden Erfindung enthält als Komponente b) K₂HPO₄. Das K₂HPO₄ ist in einer Menge von 0,02g/L bis 0,06 g/L enthalten, bevorzugt in einer Menge von 0,03 g/L bis 0,05 g/L, besonders bevorzugt in einer Menge von 0,036 g/L bis 0,044 g/L.
Das Algen-Kulturmedium der vorliegenden Erfindung enthält als Komponente c) Eisenammoniumcitrat (C₆H₈O₇·nFe·nH₃N) wobei das Eisenammoniumcitrat in einer Menge von 0,00015 g/L bis 0,003 g/L enthalten ist, bevorzugt in eine Menge von 0,0003g/L bis 0,0015 g/L, besonders bevorzugt in einer Menge von 0,00045 g/L bis 0,0009 g/L.
Das Algen-Kulturmedium der vorliegenden Erfindung enthält neben den Nährsalzen (a) bis c)) ein oder mehrere weitere Salze als Komponente d), wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel enthalten. Der Begriff „weitere Salze“ ist in Abgrenzung zu den im Algen-Kulturmedium verwendeten Nährsalzen NaNO₃, K₂HPO₄ und Eisenammoniumcitrat zu verstehen. Die ein oder mehreren weiteren Salze aus d) enthalten kein NaNO₃, K₂HPO₄ und Eisenammoniumcitrat. NaNO₃, K₂HPO₄ und Eisenammoniumcitrat sind also vom Begriff der „weiteren Salze“ ausgeschlossen und entsprechend nicht davon umfasst.
Die weiteren Salze enthalten mindestens die chemischen Elemente Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel.
Der Anteil des Natriums in den weiteren Salzen liegt bei 10% bis 40%, bevorzugt 20% bis 35 %, besonders bevorzugt 28% bis 32%, wobei sich die %-Angaben auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Der Anteil des Chlors in den weiteren Salzen liegt bei 35% bis 65%, bevorzugt 45% bis 60%, besonders bevorzugt 50% bis 58%, wobei sich die %-Angaben auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Der Anteil des Magnesiums in den weiteren Salzen liegt bei 1% bis 6%, bevorzugt 2% bis 5%, besonders bevorzugt 3% bis 4%, wobei sich die %-Angaben auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Der Anteil des Calciums in den weiteren Salzen liegt bei 0,5% bis 3%, bevorzugt 0,8% bis 2%, besonders bevorzugt 1% bis 1,5%, wobei sich die %-Angaben auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Der Anteil des Kaliums in den weiteren Salzen liegt bei 0,5% bis 3%, bevorzugt 0,8% bis 2%, besonders bevorzugt 0,9% bis 1,5%, wobei sich die %-Angaben auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Der Anteil des Schwefels in den weiteren Salzen liegt bei 1% bis 20%, bevorzugt 5% bis 10%, besonders bevorzugt 6% bis 8%, wobei sich die %-Angaben auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Vorzugsweise enthalten die weiteren Salze Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und Schwefel.
Die weiteren Salze enthalten bevorzugt 10 % bis 40 % Natrium, 35 % bis 65 % Chlor, 1% bis 6 % Magnesium, 0,5 % bis 3 % Calcium, 0,5 % bis 3 % Kalium und 1% bis 20% Schwefel enthalten, wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Weiterhin bevorzugt enthalten die weiteren Salze 20% bis 35 % Natrium, 45% bis 60% Chlor, 2% bis 5% Magnesium, 0,8% bis 2% Calcium, 0,8% bis 2% Kalium, 5% bis 10% Schwefel, wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Weiterhin bevorzugt enthalten die weiteren Salze 28% bis 32% Natrium, 50% bis 58% Chlor, 3% bis 4% Magnesium, 1% bis 1,5% Calcium, 0,9% bis 1,5% Kalium, 6% bis 8% Schwefel, wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Weiterhin bevorzugt enthalten die weiteren Salze 10% bis 40% Natrium, 45% bis 60% Chlor, 2% bis 5% Magnesium, 0,8% bis 2% Calcium, 0,8% bis 2% Kalium, 5% bis 10% Schwefel, wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Weiterhin bevorzugt enthalten die weiteren Salze 10% bis 40% Natrium, 50% bis 58% Chlor, 3% bis 4% Magnesium, 1% bis 1,5% Calcium, 0,9% bis 1,5% Kalium, 6% bis 8% Schwefel, wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Weiterhin bevorzugt enthalten die weiteren Salze 20% bis 35 % Natrium, 35% bis 65% Chlor, 1% bis 6% Magnesium, 0,5% bis 3% Calcium, 0,5% bis 3% Kalium, 1% bis 20% Schwefel, wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
In den weiteren Salzen macht das Salz Natriumchlorid einen Anteil von 78 % bis 98% aus, bevorzugt 80 % bis 98 %, besonders bevorzugt 82 % bis 98 %. Daneben sind in den weiteren Salzen beispielsweise noch Salze von z.B. Magnesium, Kalium, Calcium oder Schwefel enthalten.
Bevorzugt umfassen die weiteren Salze weitere chemische Hauptgruppenelemente wie Brom, Kohlenstoff, Strontium, Bor, Fluor und/oder Silizium.
Der Anteil des Broms in den weiteren Salzen liegt bei 0,1% bis 0,3 %, bevorzugt 0,15% bis 0,2%, wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Der Anteil des Kohlenstoffs in den weiteren Salzen liegt bei 0,05% bis 0,1%, bevorzugt bei 0,06% bis 0,09%, wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Der Anteil des Strontiums in den weiteren Salzen liegt bei 0,02% bis 0,035%, bevorzugt 0,025 bis 0,032%, wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Der Anteil des Bors in den weiteren Salzen liegt bei 0,01% bis 0,02%, bevorzugt 0,012% bis 0,016% wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Der Anteil des Fluors in den weiteren Salzen liegt bei 0,001% bis 0,008%, bevorzugt 0,002% bis 0,006%, wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Der Anteil des Siliziums in den weiteren Salzen liegt bei 0,001% bis 0,002%, bevorzugt 0,0012% bis 0,0018%, wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Vorzugsweise enthalten die weiteren Salze Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium, Brom, Kohlenstoff, Strontium, Bor, Fluor und Silizium. Bevorzugt enthalten die weiteren Salze 10 % bis 40 % Natrium, 35 % bis 65 % Chlor, 1% bis 6 % Magnesium, 0,5 % bis 3 % Calcium, 0,5 % bis 3 % Kalium, 1% bis 20% Schwefel, 0,1% bis 0,3 % Brom, 0,05% bis 0,1% Kohlenstoff, 0,02% bis 0,035% Strontium, 0,01% bis 0,02% Bor, 0,001% bis 0,008% Fluor und 0,001% bis 0,002% Silizium, wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Weiterhin bevorzugt enthalten die weiteren Salze 20% bis 35 % Natrium, 45% bis 60% Chlor, 2% bis 5% Magnesium, 0,8% bis 2% Calcium, 0,8% bis 2% Kalium, 5% bis 10% Schwefel, 0,15% bis 0,2% Brom, 0,06% bis 0,09% Kohlenstoff, 0,025 bis 0,032% Strontium, 0,012% bis 0,016% Bor, 0,002% bis 0,006% Fluor und 0,0012% bis 0,0018% Silizium, wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Vorzugsweise umfassen die weiteren Salze zusätzlich Spurenelemente. Spurenelemente können sein Aluminium, Antimon, Arsen, Barium, Beryllium, Bismuth, Cadmium, Cäsium, Cerium, Chrom, Cobalt, Kupfer, Dysprosium, Erbium, Europium, Gadolinium, Gallium, Germanium, Gold, Hafnium, Holmium, Indium, Iod, Eisen, Lanthan, Blei, Lithium, Lutetium, Mangan, Quecksilber, Molybdän, Nickel, Niob, Stickstoff, Phosphor, Platin, Praseodym, Protactinium, Radium, Rhenium, Rubidium, Ruthenium, Samarium, Scandium, Selen, Silber, Tantal, Terbium, Thorium, Thulium, Zinn, Titan, Wolfram, Uran, Vanadium, Ytterbium, Yttrium, Zink und/oder Zirconium.
Der Anteil der bevorzugt in den weiteren Salzen enthaltenen Spurenelemente liegt in Summe bei 0,001% bis 0,005%, bevorzugt 0,0015% bis 0,004%, wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Vorzugsweise enthalten die weiteren Salze Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium, Schwefel, Brom, Kohlenstoff, Strontium, Bor, Fluor, Silizium Aluminium, Antimon, Arsen, Barium, Beryllium, Bismuth, Cadmium, Cäsium, Cerium, Chrom, Cobalt, Kupfer, Dysprosium, Erbium, Europium, Gadolinium, Gallium, Germanium, Gold, Hafnium, Holmium, Indium, Iod, Eisen, Lanthan, Blei, Lithium, Lutetium, Mangan, Quecksilber, Molybdän, Nickel, Niob, Stickstoff, Phosphor, Platin, Praseodym, Protactinium, Radium, Rhenium, Rubidium, Ruthenium, Samarium, Scandium, Selen, Silber, Tantal, Terbium, Thorium, Thulium, Zinn, Titan, Wolfram, Uran, Vanadium, Ytterbium, Yttrium, Zink und Zirconium.
Bevorzugt enthalten die weiteren Salze 10 % bis 40 % Natrium, 35 % bis 65 % Chlor, 1% bis 6 % Magnesium, 0,5 % bis 3 % Calcium, 0,5 % bis 3 % Kalium, 1% bis 20% Schwefel, 0,1% bis 0,3 % Brom, 0,05% bis 0,1% Kohlenstoff, 0,02% bis 0,035% Strontium, 0,01% bis 0,02% Bor, 0,001% bis 0,008% Fluor, 0,001% bis 0,002% Silizium und 0,001% bis 0,005% Spurenelemente, wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Weiterhin bevorzugt enthalten die weiteren Salze 20% bis 35 % Natrium, 45% bis 60% Chlor, 2% bis 5% Magnesium, 0,8% bis 2% Calcium, 0,8% bis 2% Kalium, 5% bis 10% Schwefel, 0,15% bis 0,2% Brom, 0,06% bis 0,09% Kohlenstoff, 0,025 bis 0,032% Strontium, 0,012% bis 0,016% Bor, 0,002% bis 0,006% Fluor, 0,0012% bis 0,0018% Silizium und 0,0015% bis 0,004% Spurenelemente, wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Vorzugsweise handelt es sich bei den weiteren Salzen um Meersalz. Ein geeignetes Meersalz, welches für das Algen-Kulturmedium verwendet werden kann ist z.B. das Premium Meersalz Pure der Firma Tropic Meeresaquaristic.
Das erfindungsgemäße Algen-Kulturmedium kann auf mehrere Arten hergestellt werden.
Eine erste Möglichkeit besteht darin, die weiteren Salze als Komponente d) und das Wasser als Komponente e) je als Einzelkomponenten für die Herstellung des Algen-Kulturmediums zu verwenden. Bevor das Wasser als Komponente e) für die Herstellung des Algen-Kulturmediums verwendet wird, kann es einem oder mehreren Aufbereitungs- oder Reinigungsschritten unterzogen werden, um möglicherweise vorhandene störende Substanzen aus dem Wasser zu entfernen, die die Kultivierung der Algen negativ beeinflussen könnten.
Das Wasser kann aus Gewässern stammen, vorzugsweise stammt es aus Meeren, Binnengewässern wie z.B. Bächen, Flüssen, Teichen, Seen oder dem Grundwasser. Das Grundwasser kann z.B. in Form von Leitungswasser bereitgestellt werden. Bei dem Wasser, vorzugsweise Leitungswasser, kann es sich um demineralisiertes bzw. deionisiertes Wasser handeln, welches gegebenenfalls sterilisiert sein kann. Das Wasser, vorzugsweise Leitungswasser, kann ebenfalls destilliert sein.
Stammt das Wasser aus Gewässern, so enthält es einen gewissen Gehalt der weiteren Salze. Dieser Gehalt der weiteren Salze variiert je nach Herkunftsgewässer naturgemäß.
Der Gehalt der weiteren Salze im Meerwasser liegt beispielsweise zwischen ca. 0,2 und 4,3%, wobei z.B. Ostseewasser einen Salzgehalt von ca. 0,2 bis 1,8% aufweist.
Der Gehalt der weiteren Salze in Wasser aus Flüssen oder Seen liegt beispielsweise zwischen ca. 0,1 bis 1% wohingegen Grundwasser, welches im Wesentlichen Süßwasser entspricht, einen Salzgehalt von < 0,1% aufweist.
Der Gehalt der weiteren Salze im Wasser, welches als Bestandteil für das Algen-Kulturmedium eingesetzt werden soll, kann vor der Herstellung des Kulturmediums bestimmt werden. Dem Fachmann sind Verfahren zur Bestimmung des Gehalts der weiteren Salze im Wasser bekannt. So kann er den Gehalt der weiteren Salze im Wasser beispielsweise mithilfe eines Salinometers bestimmen. Je nach ermitteltem Wert des Gehalts der weiteren Salze im Wasser kann der Fachmann bei der Herstellung des Algen-Kulturmediums die Menge der weiteren Salze so anpassen, dass das Algen-Kulturmedium einen Gehalt an weiteren Salzen von bevorzugt 2,5 g/L bis 7 g/L aufweist, besonders bevorzugt 3,5 g/L bis 6,5 g/L, ganz besonders bevorzugt 4 g/L bis 6 g/L, insbesondere bevorzugt 4,5 g/L bis 5,5 g/L.
Soll beispielsweise demineralisiertes Wasser als Komponente e) für das Algen-Kulturmedium verwendet werden, so enthält dieses im Wesentlichen keine Salze. Entsprechend werden die weiteren Salze z.B. in einer Menge von 2,5 bis 7 g/L verwendet, um ein Algen-Kulturmedium mit einem Gehalt an den weiteren Salzen von 2,5 g/L bis 7 g/L zu erhalten.
Soll beispielsweise Meer-, Fluss- oder Seewasser für die Herstellung des Algen-Kulturmediums verwendet werden und liegt dessen Gehalt der weiteren Salzen bei < 2,5 g/L, so können die weiteren Salze in einer entsprechenden Menge zu dem beispielsweise Meer-, Fluss- oder Seewasser hinzugefügt werden, um ein Kulturmedium mit einem Gehalt an den weiteren Salzen von 2,5 g/L bis 7 g/L zu erhalten.
Eine zweite Möglichkeit besteht darin, die weiteren Salze d) und das Wasser e) als eine Einzelkomponente für die Herstellung des Algen-Kulturmediums zu verwenden. Hierbei kann beispielsweise Wasser aus Gewässern, wie z.B. Meerwasser, im Wesentlichen direkt für das erfindungsgemäße Algen-Kulturmedium verwendet werden. Bevor das Wasser aus Gewässern für das erfindungsgemäße Algen-Kulturmedium verwendet wird, kann es einem oder mehreren Aufbereitungs- oder Reinigungsschritten unterzogen werden, um möglicherweise vorhandene störende Substanzen aus dem Wasser zu entfernen, die die Kultivierung der Algen negativ beeinflussen könnten.
Stammt das Wasser aus Gewässern, so enthält es einen gewissen Gehalt an weiteren Salzen, welcher je nach Herkunftsgewässer naturgemäß variiert.
So liegt der Gehalt der weiteren Salze im Meerwasser beispielsweise zwischen ca. 0,2 und 4,3%, wobei z.B. Ostseewasser einen Gehalt der weiteren Salze von ca. 0,2 bis 1,8% aufweist, Wasser aus dem Kaspischen Meer ca. 1,0 bis 3,0%, Wasser aus dem Atlantischen Ozean ca. 3,0 bis 3,7% und Wasser aus dem Roten Meer ca. 3,7 bis 4,3%.
Der Gehalt der weiteren Salze im Wasser, welches für das Algen-Kulturmedium verwendet werden soll, kann vor der Herstellung des Kulturmediums bestimmt werden. Dem Fachmann sind Verfahren zur Bestimmung des Gehaltes der weiteren Salze im Wasser bekannt. So kann er den Gehalt der weiteren Salze im Wasser beispielsweise mithilfe eines Salinometers bestimmen. Je nach ermitteltem Wert des Gehalts der weiteren Salze im Wasser, kann der Fachmann diesen Gehalt im Algen-Kulturmedium so anpassen, dass das Kulturmedium einen Gehalt an den weiteren Salzen von bevorzugt 2,5 g/L bis 7 g/L aufweist, besonders bevorzugt 3,5 g/L bis 6,5 g/L, ganz besonders bevorzugt 4 g/L bis 6 g/L, insbesondere bevorzugt 4,5 g/L bis 5,5 g/L.
Soll z.B. Meerwasser für das Algenkulturmedium verwendet werden, so kann das Meerwasser für den Fall, dass dessen naturgemäß vorhandener Gehalt an den weiteren Salzen beispielsweise bei 2,5 g/L bis 7 g/L liegt, im Wesentlichen direkt für das Algen-Kulturmedium eingesetzt werden. Weist das Meerwasser z.B. hingegen einen Gehalt an den weiteren Salzen von > 7 g/L auf, so kann es z.B. mit Flusswasser und/oder Grundwasser verdünnt werden, um ein Algen-Kulturmedium mit einem Gehalt der weiteren Salze von 2,5 g/L bis 7 g/L zu erhalten.
Vorzugsweise werden die weiteren Salze d) und das Wasser e) als eine Einzelkomponente für die Herstellung des Algen-Kulturmediums verwendet. Bevorzugt handelt es sich bei der Einzelkomponente um Meerwasser, bevorzugt Ostseewasser.
Das Algen-Kulturmedium kann neben den Komponenten a) bis e) noch weitere Bestandteile umfassen. Solche weiteren Bestandteile können beispielsweise zusätzliche Salze, Spurenelemente oder organische Säuren sein.
Zusätzliche Salze als weitere Bestandteile im Algen-Kulturmedium können sein Magnesiumsulfat (MgSO₄), Calciumchlorid bevorzugt (CaCl₂), EDTA-di-Natriumsalz und/oder Natriumcarbonat (Na₂CO₃).
Das Algen-Kulturmedium kann zusätzliche Spurenelemente enthalten. Spurenelemente können dem Algen-Kulturmedium beispielsweise in Form von Borsäure (H₃BO₃) oder durch Zusatz von Salzen wie z.B. Mangan (II)-Sulfat (MnSO₄), Zinksulfat (ZnSO₄), Kupfersulfat (CuSO₄) und/oder (NH₄)₆Mo₇O₂₄ zugefügt werden.
Organische Säuren im Algen-Kulturmedium können beispielsweise Carbonsäuren wie z.B. Zitronensäure sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst oder besteht das Algen-Kulturmedium mit einem Salzgehalt von 2 g/L bis 10 g/L aus a) 0,15 g/L bis 1 g/L NaNO₃, b) 0,03 g/L bis 0,05 g/L K₂HPO₄, c) 0,0003 g/L bis 0,0015 g/L Eisenammoniumcitrat, d) ein oder mehrere weitere Salze, wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel enthalten, und e) Wasser, wobei sich die Angaben in g/L auf das Gesamtvolumen des Algen-Kulturmediums beziehen. Bevorzugt weist das Algen-Kulturmedium einen Salzgehalt von 3 g/L bis 7 g/L auf, bevorzugt von 4 g/L bis 6 g/L.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst oder besteht das Algen-Kulturmedium mit einem Salzgehalt von 2 g/L bis 10 g/L aus a) 0,15 g/L bis 1 g/L NaNO₃, b) 0,036 g/L bis 0,044 g/L K₂HPO₄, c) 0,00045 g/L bis 0,0009 g/L Eisenammoniumcitrat, d) ein oder mehrere weitere Salze, wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel enthalten, und e) Wasser, wobei sich die Angaben in g/L auf das Gesamtvolumen des Algen-Kulturmediums beziehen. Bevorzugt weist das Algen-Kulturmedium einen Salzgehalt von 3 g/L bis 7 g/L auf, bevorzugt von 4 g/L bis 6 g/L.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst oder besteht das Algen-Kulturmedium mit einem Salzgehalt von 2 g/L bis 10 g/L aus a) 0,225 g/L bis 0,525 g/L NaNO₃, b) 0,02 g/L bis 0,06 g/L K₂HPO₄, c) 0,00015 g/L bis 0,003 g/L Eisenammoniumcitrat, d) ein oder mehrere weitere Salze, wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel enthalten, und e) Wasser, wobei sich die Angaben in g/L auf das Gesamtvolumen des Algen-Kulturmediums beziehen. Bevorzugt weist das Algen-Kulturmedium einen Salzgehalt von 3 g/L bis 7 g/L auf, bevorzugt von 4 g/L bis 6 g/L
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst oder besteht das Algen-Kulturmedium mit einem Salzgehalt von 2 g/L bis 10 g/L aus a) 0,225 g/L bis 0,525 g/L NaNO₃, b) 0,0036 g/L bis 0,0044 g/L K₂HPO₄, c) 0,00045 g/L bis 0,0009 g/L Eisenammoniumcitrat, d) ein oder mehrere weitere Salze, wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel enthalten, und e) Wasser, wobei sich die Angaben in g/L auf das Gesamtvolumen des Algen-Kulturmediums beziehen. Bevorzugt weist das Algen-Kulturmedium einen Salzgehalt von 3 g/L bis 7 g/L auf, bevorzugt von 4 g/L bis 6 g/L.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst oder besteht das Algen-Kulturmedium mit einem Salzgehalt von 2 g/L bis 10 g/L aus a) 0,3 g/L bis 0,45 g/L NaNO₃, b) 0,02 g/L bis 0,06 g/L K₂HPO₄, c) 0,00015 g/L bis 0,003 g/L Eisenammoniumcitrat, d) ein oder mehrere weitere Salze, wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel enthalten, und e) Wasser, wobei sich die Angaben in g/L auf das Gesamtvolumen des Algen-Kulturmediums beziehen. Bevorzugt weist das Algen-Kulturmedium einen Salzgehalt von 3 g/L bis 7 g/L auf, bevorzugt von 4 g/L bis 6 g/L.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst oder besteht das Algen-Kulturmedium mit einem Salzgehalt von 2 g/L bis 10 g/L aus a) 0,3 g/L bis 0,45 g/L NaNO₃, b) 0,03 g/L bis 0,05 g/L K₂HPO₄, c) 0,0003 g/L bis 0,0015 g/L Eisenammoniumcitrat, d) ein oder mehrere weitere Salze, wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel enthalten, und e) Wasser, wobei sich die Angaben in g/L auf das Gesamtvolumen des Algen-Kulturmediums beziehen. Bevorzugt weist das Algen-Kulturmedium einen Salzgehalt von 3 g/L bis 7 g/L auf, bevorzugt von 4 g/L bis 6 g/L.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung des erfindungsgemäßen Algen-Kulturmediums zur Kultivierung von Algen. Vorzugsweise handelt es sich bei den Algen um Grünalgen (Chlorophyceae), bevorzugt um Algen aus der Familie Scenedesmaceae, besonders bevorzugt um Algen der Gattung Scenedesmus, ganz besonders bevorzugt um Algen der Arten Scenedesmus obtusisculus oder Scenedesmus ovalternus.
Des Weiteren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Kultivierung von Algen umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer Zusammensetzung enthaltend Algen und ein Kulturmedium der vorliegenden Erfindung; b) Belichten der Zusammensetzung; c) Zugabe von Kohlendioxid zu der Zusammensetzung; und d) ggf. Ernte der kultivierten Algen.
Die Kultivierung der Algen kann in räumlich begrenzten Bereichen wie z.B. in Tanks, Becken, Kanälen erfolgen, wobei diese Bereiche als offene oder zumindest teilweise offene Systeme ausgestaltet sein können. Vorzugsweise erfolgt die Algenkultivierung in einem Photobioreaktor. Photobioreaktoren stellen einen im Wesentlichen vollständig kontrollierbaren Lebensraum dar, welcher optimal für die jeweilig gewünschten Lebens- bzw. Wachstumsbedingungen der Algen eingestellt werden kann.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt a) eine Zusammensetzung bereitgestellt, welche Algen und ein Kulturmedium enthält, wobei das Kulturmedium die zuvor beschriebenen Bestandteile NaNO₃, K₂HPO₄, Eisenammoniumcitrat, ein oder mehrere weitere Salze mindestens enthaltend Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel, und Wasser umfasst oder daraus besteht.
Bei den zu kultivierenden Algen handelt es sich vorzugsweise um Grünalgen (Chlorophyceae), bevorzugt um Algen aus der Familie Scenedesmaceae, besonders bevorzugt um Algen der Gattung Scenedesmus, ganz besonders bevorzugt um Algen der Arten Scenedesmus obtusisculus oder Scenedesmus ovalternus.
Die zu kultivierenden Algen können der Zusammensetzung z.B. als Inokulum zugesetzt werden. Vorzugsweise werden die zu kultivierenden Algen der Zusammensetzung in einer Menge von ≥ 0,001 g/L zugefügt, bevorzugt in einer Menge von 0,01 g/L bis 10 g/L, besonders bevorzugt in einer Menge von 0,015 g/L bis 5 g/L, ganz besonders bevorzugt in einer Menge von 0,02 g/L bis 1 g/L, insbesondere bevorzugt 0,025 g/L bis 0,5 g/L, wobei sich die Angabe in Gramm auf die Biotrockenmasse bezieht.
In Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Zusammensetzung belichtet. Vorzugsweise wird die Zusammensetzung temporär belichtet. Die Belichtung der Zusammensetzung erfolgt vorzugsweise für 1 min bis 24h, bevorzugt für 0,5 bis 20h, besonders bevorzugt für 5 bis 15h, ganz besonders bevorzugt für 10 bis 14h.
Vorzugsweise wird die Zusammensetzung mehrere Male belichtet. Sofern die Belichtung mehrmalig erfolgt, finden die entsprechenden Belichtungsphasen bevorzugt in regelmäßigen Abständen statt. Die Dunkelphasen zwischen den Belichtungsphasen dauern vorzugsweise 1 min bis 24h, bevorzugt 0,5 bis 20h, besonders bevorzugt 5 bis 15h, ganz besonders bevorzugt 10 bis 14h.
Bevorzugt erfolgt die Kultivierung der Algen in einem regelmäßigen Hell-/Dunkelrhythmus, wobei sowohl die Belichtungs- als auch die Dunkelphasen 1 min bis 24h dauern, bevorzugt 0,5 bis 20h, besonders bevorzugt 5 bis 15h, ganz besonders bevorzugt 10 bis 14h. Insbesondere bevorzugt erfolgt die Kultivierung der Algen in einem 12h/12h Hell-/Dunkelrhythmus.
Das für die Belichtung der Zusammensetzung verwendete Licht kann natürliches oder künstliches Licht sein. Vorzugsweise erfolgt die Belichtung mit ≥ 1 µmol Photonen·m^–2·s^–1, bevorzugt mit 5 bis 2500 µmol Photonen·m^–2·s^–1, besonders bevorzugt mit 10 bis 1000 µmol Photonen·m^–2·s^–1, ganz besonders bevorzugt mit 20 bis 500 µmol Photonen·m^–2·s^–1.
In Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Zugabe von Kohlendioxid zu der Zusammensetzung. Die Art der Zugabe von CO₂ zur Zusammensetzung variiert je nach verwendetem Reaktorsystem. In offenen Systemen, wie z.B. offenen „Raceway Ponds“, erfolgt die Zugabe von CO₂ durch die Umgebungsluft. In geschlossenen Reaktorsystemen kann das CO₂ beispielsweise gemeinsam mit Luft, z.B. Druckluft, zu der Zusammensetzung zugegeben werden. Dabei kann die Begasungsrate (Luft bzw. Luft/CO₂-Gemisch) z.B. zwischen 0,03 und 5 vvm [= L_Luft/(L_Medium·min)] liegen.
Die Zugabe von CO₂ zu der Zusammensetzung kann kontinuierlich oder temporär erfolgen.
Vorzugsweise wird ≥ 0,01 % (v/v) CO₂ zur Zusammensetzung zugegeben, bevorzugt 0,1% (v/v) bis 20% (v/v), besonders bevorzugt 0,2% (v/v) bis 10% (v/v), ganz besonders bevorzugt 0,5%(v/v) bis 5% (v/v).
Das CO₂ stellt für die Algen zum einen eine Kohlenstoffquelle dar, zum anderen kann mit Hilfe der CO₂-Zugabe der pH-Wert der Zusammensetzung im Wesentlichen konstant gehalten werden. Dem Fachmann sind Verfahren zur Bestimmung des pH-Wertes der Zusammensetzung bekannt. So kann der pH-Wert z.B. mithilfe von Sonden gemessen werden. Vorzugsweise liegt der pH-Wert der Zusammensetzung im Bereich von pH 6–11, bevorzugt im Bereich von pH 7–9.
In Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ggf. Ernte der kultivierten Algen. Dem Fachmann sind Verfahren zur Ernte von kultivierten Algen bekannt.
Ebenso sind dem Fachmann Verfahren bekannt mit denen die geerntete Biomasse weiterverarbeitet werden kann. So können beispielsweise Lipide aus der Algenbiomasse extrahiert werden um sie nachfolgend als Schmierstoffe einzusetzen. Ferner können ebenso Kohlenhydrate aus der Biomasse extrahiert werden um sie z.B. als Substrat für spezielle Hefen zu verwenden, welche aus diesen Kohlenhydraten nützliche Lipide für die Kerosinherstellung produzieren können.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es sich um einen mehrstufigen oder um einen einstufigen Prozess handeln. Handelt es sich um einen mehrstufigen Prozess, so kann dieser semikontinuierlich oder kontinuierlich ablaufen.
Beim mehrstufigen semikontinuierlichen Prozess werden die Algen zunächst in einem erfindungsgemäßen Kulturmedium kultiviert (Stufe 1), bevor zumindest ein Teil der Algen mit einem weiteren Kulturmedium versetzt und weiterkultiviert wird (Stufe 2). Vorzugsweise gleicht das für die Stufe 2 verwendete weitere Kulturmedium dem Kulturmedium der Stufe 1.
Beim mehrstufigen kontinuierlichen Prozess werden die Algen zunächst in einem erfindungsgemäßen Kulturmedium kultiviert (Stufe 1), wobei im Laufe dieser Kultivierung ein weiteres Kulturmedium zu den Algen hinzugefügt wird (Stufe 2). Vorzugsweise gleicht das für die Stufe 2 verwendete weitere Kulturmedium dem Kulturmedium der Stufe 1.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um einen einstufigen Prozess. In diesem einstufigen Prozess werden die Algen in einem einzigen erfindungsgemäßen Kulturmedium kultiviert. Entsprechend wird während des einstufigen Kultivierungsprozesses weder ein weiteres Kulturmedium, welches sich von dem einen einzigen Kulturmedium unterscheidet, verwendet, noch wird z.B. ein Mediumwechsel durchgeführt, bei dem das zu Beginn des Verfahrens eingesetzte eine einzige Kulturmedium gegen ein gleichartiges ausgetauscht oder damit ergänzt wird.
Die Durchführung des Kultivierungsverfahrens in Form eines einstufigen Prozesses hat zur Folge, dass die Algen während der Kultivierung die in dem einen einzigen Kulturmedium vorhandenen Nährstoffe, z.B. Nährsalze, verbrauchen, so dass sich zu bestimmten Zeitpunkten ein Mangel dieser Nährstoffe in diesem Kulturmedium einstellt. Wird die Kultivierung in dem so entstandenen Mangelmedium weiter fortgesetzt, ändert sich die Biomassezusammensetzung der Algen, welche dann beispielsweise einen hohen Gehalt an Lipiden und Kohlenhydraten und einen gleichzeitig niedrigem Proteingehalt aufweisen. Wann die Mangelbedingungen einsetzen ist naturgemäß von den gewählten Kultivierungsbedingungen abhängig, wie z.B. von den gewählten Mengen der einzelnen Nährsalze in dem Kulturmedium, der anfänglichen eingesetzten Menge der Algen, der Temperatur, der Belichtung, der CO₂-Zugabe etc.
Im Vergleich dazu werden in Kultivierungsverfahren des Standes der Technik die Algen zunächst in einem Vollmedium kultiviert (Stufe 1), bevor sie dann in ein Mangelmedium umgesetzt werden (Stufe 2), in welchem sie dann solange kultiviert werden, bis sie die gewünschte Biomassezusammensetzung aufweisen. Dieser zweistufige Prozess ist für eine großtechnische Kultivierung ungeeignet, da er sehr zeit- und energieaufwändig und damit auch mit hohen Kosten verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur von ≥ 10°C. Vorzugsweise findet das Kultivierungsverfahren bei 15°C und 40°C statt, besonders bevorzugt zwischen 25°C und 38°C, ganz besonders bevorzugt zwischen 28°C und 32°C.
Die Kultivierung der Algen mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt für mindestens 24 h, bevorzugt für 48 h bis 60 Tage, besonders bevorzugt für 72 h bis 28 Tage, ganz besonders bevorzugt für 96 h bis 14 Tage.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann unter im Wesentlichen statischen Bedingungen oder unter Bewegung stattfinden. Vorzugsweise findet die Kultivierung der Algen unter Bewegung statt, wobei die Bewegung beispielsweise durch Umrühren, Umwälzen oder durch das Einblasen von Gasen oder Gasgemischen, wie z.B. Luft, erfolgen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Kultivierung von Algen die Schritte: a) Bereitstellen einer Zusammensetzung enthaltend Algen und ein Kulturmedium mit einem Salzgehalt von 2 g/L bis 10 g/L umfassend oder bestehend aus 0,15 g/L bis 1 g/L NaNO₃, 0,02g/L bis 0,06 g/L K₂HPO₄, 0,00015 g/L bis 0,003 g/L Eisenammoniumcitrat, ein oder mehrere weitere Salze, wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel enthalten, und Wasser; b) Belichten der Zusammensetzung; c) Zugabe von Kohlendioxid zu der Zusammensetzung; und d) ggf. Ernte der kultivierten Algen. Bevorzugt handelt es sich bei den zu kultivierenden Algen um Chlorophyceae. Vorzugsweise handelt es sich bei den Komponenten d) und e) um eine Einzelkomponente, bevorzugt um Meerwasser.
Vorzugsweise erfolgt in Schritt b) eine mehrmalige temporäre Belichtung. Bevorzugt erfolgt die Kultivierung der Algen in einem regelmäßigen Hell-/Dunkelrhythmus, wobei sowohl die Belichtungs- als auch die Dunkelphasen 1 min bis 24h dauern, bevorzugt 0,5 bis 20h, besonders bevorzugt 5 bis 15h, ganz besonders bevorzugt 10 bis 14h. Insbesondere bevorzugt erfolgt die Kultivierung der Algen in einem 12h/12h Hell-/Dunkelrhythmus.
Die Kultivierung findet bei einer Temperatur von ≥ 10°C statt, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 15°C und 40°C, besonders bevorzugt zwischen 25°C und 38°C, ganz besonders bevorzugt zwischen 28°C und 32°C.
Weiterhin werden die Algen dabei für mindestens 24 h kultiviert, bevorzugt für 48 h bis 60 Tage, besonders bevorzugt für 72 h bis 28 Tage, ganz besonders bevorzugt für 96 h bis 14 Tage.
Vorzugsweise findet die Kultivierung unter Bewegung statt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Kultivierung von Algen die Schritte: a) Bereitstellen einer Zusammensetzung enthaltend Algen und ein Kulturmedium mit einem Salzgehalt von 2 g/L bis 10 g/L umfassend oder bestehend aus 0,225 g/L bis 0,525 g/L NaNO₃, 0,03 g/L bis 0,05 g/L K₂HPO₄, 0,0003 g/L bis 0,0015 g/L Eisenammoniumcitrat, ein oder mehrere weitere Salze wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel enthalten, und Wasser; b) Belichten der Zusammensetzung; c) Zugabe von Kohlendioxid zu der Zusammensetzung; und d) ggf. Ernte der kultivierten Algen. Bevorzugt handelt es sich bei den zu kultivierenden Algen um Chlorophyceae. Vorzugsweise handelt es sich bei den Komponenten d) und e) um eine Einzelkomponente, bevorzugt um Meerwasser.
Vorzugsweise erfolgt in Schritt b) eine mehrmalige temporäre Belichtung. Bevorzugt erfolgt die Kultivierung der Algen in einem regelmäßigen Hell-/Dunkelrhythmus, wobei sowohl die Belichtungs- als auch die Dunkelphasen 1 min bis 24h dauern, bevorzugt 0,5 bis 20h, besonders bevorzugt 5 bis 15h, ganz besonders bevorzugt 10 bis 14h. Insbesondere bevorzugt erfolgt die Kultivierung der Algen in einem 12h/12h Hell-/Dunkelrhythmus.
Die Kultivierung findet bei einer Temperatur von ≥ 10°C statt, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 15°C und 40°C, besonders bevorzugt zwischen 25°C und 38°C, ganz besonders bevorzugt zwischen 28°C und 32°C.
Weiterhin werden die Algen dabei für mindestens 24 h kultiviert, bevorzugt für 48 h bis 60 Tage, besonders bevorzugt für 72 h bis 28 Tage, ganz besonders bevorzugt für 96 h bis 14 Tage.
Vorzugsweise findet die Kultivierung unter Bewegung statt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Kultivierung von Algen die Schritte: a) Bereitstellen einer Zusammensetzung enthaltend Algen und ein Kulturmedium mit einem Salzgehalt von 2 g/L bis 10 g/L umfassend oder bestehend aus 0,3 g/L bis 0,45 g/L NaNO₃, 0,036 g/L bis 0,044 g/L K₂HPO₄, 0,00045 g/L bis 0,0009 g/L Eisenammoniumcitrat, ein oder mehrere weitere Salze wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel enthalten, und Wasser; b) Belichten der Zusammensetzung; c) Zugabe von Kohlendioxid zu der Zusammensetzung; und d) ggf. Ernte der kultivierten Algen. Bevorzugt handelt es sich bei den zu kultivierenden Algen um Chlorophyceae. Vorzugsweise handelt es sich bei den Komponenten d) und e) um eine Einzelkomponente, bevorzugt um Meerwasser.
Vorzugsweise erfolgt in Schritt b) eine mehrmalige temporäre Belichtung. Bevorzugt erfolgt die Kultivierung der Algen in einem regelmäßigen Hell-/Dunkelrhythmus, wobei sowohl die Belichtungs- als auch die Dunkelphasen 1 min bis 24h dauern, bevorzugt 0,5 bis 20h, besonders bevorzugt 5 bis 15h, ganz besonders bevorzugt 10 bis 14h. Insbesondere bevorzugt erfolgt die Kultivierung der Algen in einem 12h/12h Hell-/Dunkelrhythmus.
Die Kultivierung findet bei einer Temperatur von ≥ 10°C statt, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 15°C und 40°C, besonders bevorzugt zwischen 25°C und 38°C, ganz besonders bevorzugt zwischen 28°C und 32°C.
Weiterhin werden die Algen dabei für mindestens 24 h kultiviert, bevorzugt für 48 h bis 60 Tage, besonders bevorzugt für 72 h bis 28 Tage, ganz besonders bevorzugt für 96 h bis 14 Tage.
Vorzugsweise findet die Kultivierung unter Bewegung statt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Figuren
1 Nitratkonzentration im Medium während der Kultivierung in Abhängigkeit vom eingesetzten Nitrat an Tag 0. Darstellung: MW ± SD aus n = 3
2a) Biomasseausbeute, b) Lipidgehalt, c) Kohlenhydratgehalt und d) Proteingehalt von S. obtusiusculus in Abhängigkeit von der Nitrat-Konzentration im Medium; Darstellung: MW + SEM, n = 5–9; Statistik: t-Test, zweiseitig, ungepaart, Werte Normalverteilt (Shapiro-Wilk-Test) bzw. Normalverteilung vorausgesetzt wenn n < 6, * = p < 0,05, ** = p < 0,005, *** = p < 0,001.
3 Untersuchung der Biomasseausbeute und ihrer Zusammensetzung im Verlauf der Kultivierungsdauer. Darstellung: MW + SEM, n = 1–4
4 Biomasseausbeute, Lipidgehalt, Kohlenhydratgehalt und Proteingehalt von S. obtusiusculus in Abhängigkeit von der Phosphat-Konzentration im Medium; Darstellung: MW + SEM, n = 4–6.
5 Biomasseausbeute, Lipidgehalt, Kohlenhydratgehalt und Proteingehalt von S. obtusiusculus in Abhängigkeit von der Eisen-Konzentration im Medium; Darstellung: MW + SEM, n = 4–6.
6 Biomasseausbeute, Lipidgehalt, Kohlenhydratgehalt und Proteingehalt von S. obtusiusculus in BG-11 Medium und in den erfindungsgemäßen Medien A und B (je 25% Nitrat normalisiert zur BG-11-Kontrolle); Darstellung: MW + SEM, n = 2–3. Medium A enthält die Nährsalze NaNO₃, K₂HPO₄ und Eisenammoniumcitrat sowie das/die weitere/n Salz/e und Wasser, wobei die beiden letztgenannten Komponenten je als Einzelkomponente für die Herstellung des Algen-Kulturmediums verwendet wurden. Medium B enthält die Nährsalze NaNO₃, K₂HPO₄ und Eisenammoniumcitrat sowie das/die weitere/n Salz/e und Wasser, wobei die beiden letztgenannten Komponenten als eine Einzelkomponente (Meerwasser) für die Herstellung des Algen-Kulturmediums verwendet wurden.
7 Biomasseausbeute, Lipidgehalt, Kohlenhydratgehalt und Proteingehalt von S. ovalternus in BG-11 Medium und im erfindungsgemäßen Medium A (25% Nitrat normalisiert zur BG-11-Kontrolle); Darstellung: MW + SEM, n = 2–3. Medium A enthält die Nährsalze NaNO₃, K₂HPO₄ und Eisenammoniumcitrat sowie das/die weitere/n Salz/e und Wasser, wobei die beiden letztgenannten Komponenten je als Einzelkomponente für die Herstellung des Algen-Kulturmediums verwendet wurden.
Beispiele
Modellorganismen
Scenedesmus obtusiusculus gehört zu den Scenedesmaceae, eine Familie innerhalb der Grünalgen (Chlorophyceae). Der Stamm A189 wurde 1995 von Hübel in Prerow (Parkteich) isoliert und bestimmt. S. obtusiusculus ist eine 6–10 μm große, einzellige, ovale Alge. Sie besitzt bereits unter Standardbedingungen einen hohen Kohlenhydratgehalt von bis zu 30 %, teilweise in Form von Speicherstärke. Der Proteingehalt ist mit etwa 50 % sehr hoch, der Lipidanteil mit nur ca. 10 % jedoch recht gering.
Scenedesmus ovalternus SAG 52.80 gehört ebenfalls zu den Scenedesmaceae. Die Alge wurde 1948 von M. Lefèvre in Frankreich isoliert. Sie zeichnet sich durch sehr gutes Wachstum und einen extrem hohen Kohlenhydratgehalt von über 50 % aus, wobei ein hoher Anteil auf β-Glucane entfällt.
Algen-Kulturmedium
Die benötigten Mengen an entsprechenden Salzen werden abgewogen und in der entsprechenden Menge Wasser gelöst (s. BSP1). Ist die benötigte Menge an Medium sehr klein, können gering konzentrierte Salze auch in Form von hochkonzentrierten Stammlösungen zugegeben werden (s. BSP2). Ist die Verwendung von autoklaviertem Medium erforderlich, müssen einige Salze in Form von Konzentraten nach dem autoklavieren hinzugegeben werden (s. BSP3). BSP (alle nach „Rezept1“): „Rezept1“:

Komponente erfindungsgemäßes Medium g/L

NaNO₃ 0,375

K₂HPO₄ 0,04

C₆H₈O₇ × nFe × nH₃N 0,0006

Weiteres Salz 5
BSP1: 10 L Medium sollen hergestellt werden. 3,75 g NaNO₃, 0,4 g K₂HPO4, 0,006 g Eisenammoniumcitrat und 50 g weiteres Salz werden in ein geeignetes Gefäß gewogen und mit 10 L A. dest. oder vollentsalzenem (VE) Wasser aufgefüllt.
BSP2: 1L Medium soll hergestellt werden: Zunächst wird ein Konzentrat von Eisenammoniumcitrat hergestellt mit einer Konzentration von 0,6 g/L (= Stammlösung). Dann werden 0,375g NaNO₃, 0,04 g K₂HPO₄ und 5 g weiteres Salz ein geeignetes Gefäß gewogen, 1mL der Eisenammoniumcitrat-Stammlösung dazugegeben und mit 999 mL A. dest. oder VE-Wasser aufgefüllt. Die Konz. von Eisenammoniumcitrat im Medium beträgt jetzt 0,0006 g/L.
BSP3: 10 L steriles Medium sollen hergestellt werden. 3,75 g NaNO₃ und 50 g weiteres Salz werden in ein geeignetes Gefäß gewogen und in 9900 mL A. dest oder VE-Wasser gelöst. Die beiden anderen Nährsalze werden eingewogen und in 100 mL A. dest oder VE-Wasser gelöst. Beide Lösungen werden separat autoklaviert (verhindert Ausfällung von schwerlöslichen Fe- und PO₄-Salzen) und nach dem Erkalten unter aseptischen Bedingungen vereinigt.
BSP4: 10 L Medium auf Ostseewasser-Basis sollen hergestellt werden. Ostseewasser mit einem Gehalt der weiteren Salze von z.B. 5 g/L kann im Wesentlichen direkt für die Herstellung dieses Mediums verwendet werden. Entsprechend erfolgen die Einwaagen der Nährsalze wie in BSP1, jedoch werden keine „weiteren Salze“ eingewogen. Die Nährsalze werden im Ostseewasser gelöst.
BSP5:10 L Medium auf Nordseewasser-Basis sollen hergestellt werden. Nordseewasser mit einem Gehalt der weiteren Salze von z.B. 35 g/L wird auf 5 g/L verdünnt und kann dann für die Herstellung des Mediums verwendet werden. Entsprechend erfolgen die Einwaagen der Nährsalze wie BSP1, jedoch werden keine „weiteren Salze“ eingewogen. Die Nährsalze werden in einem Gemisch aus 1 Teil Nordseewasser und 6 Teilen A. dest/VE-Wasser gelöst.
Kultivierung
Die Kultivierung erfolgte in 500-mL-Schottflaschen. In den Deckel wurden zwei Löcher eingearbeitet, durch diese wurden Silikonschläuche zur Be- und Entlüftung der Kulturen geführt. Kultiviert wurde in 200 mL Medium bei einer Belichtung von 200 μmol Photonen·m^–2·s^–1 im 12/12 h Hell/Dunkelrhythmus, einer Temperatur von 25 ± 2°C, Belüftung mit steril filtrierter Druckluft mit einem Fluss von ca. 0,8 L/min und die Kultivierungsdauer betrug 14 Tage. Jeden zweiten Tag wurden 0,1 mL Probe entnommen, um das Wachstum mittels Messung der optischen Dichte bei 750 nm (OD750) zu verfolgen. Verdunstetes Wasser wurde mit destilliertem Wasser aufgefüllt. Die Ernte erfolgte an Tag 14 mit einer Durchflusszentrifuge. Anschließend wurde die Biomasse in einer Gefriertrocknungsanlage getrocknet. Alle Kultivierungsexperimente wurden als Doppelbestimmung (Nitrat-Experimente als Dreifachbestimmung) mit je 3 Parallelkulturen durchgeführt.
Wieviel CO₂ der Zusammensetzung zugegeben wird, hängt sowohl von der Dichte der Algen-Kultur als auch vom pH-Wert der Zusammensetzung ab.
Vorzugsweise liegt der pH-Wert der Zusammensetzung im Bereich von pH 6–11, bevorzugt im Bereich von pH 7–9. Beim Überschreiten eines Schwellenwertes wird CO₂ in die Druckluft, die für die Begasung verwendet wird, eingeleitet. Wird ein Schwellenwert unterschritten, wird die CO₂-Zugabe beendet. Liegt beispielsweise der pH-Schwellenwert der Zusammensetzung bei pH 8,5 mit einem Toleranzbereich von 0,1, so wird bei pH 8,6 CO₂ zugeführt, bei pH 8,4 hingegen die CO₂-Zugabe abgeschaltet.
In Vortestungen wurde ermittelt, dass bei Verwendung von künstlichem Meerwasser, was Wasser mit einem Salzgehalt von 0,5% aufweist, als Grundlage nur noch drei weitere Salze hinzugegeben werden müssen: NaNO₃ (N), K₂HPO₄ (P) und Eisenammoniumcitrat (Fe). Für diese drei essentiellen Nährsalze wurde die optimale Konzentration im Medium ermittelt. Dazu wurde, ausgehend von der Konzentration im Standardmedium BG-11 (= 100 %), eine schrittweise reduzierte Anfangskonzentration eingesetzt (N, P und Fe100 – 0) und untersucht, welche Auswirkungen auf die Biomasseproduktion sowie den Primärstoffgehalt zu beobachten sind.
Nach der Ermittlung der optimalen Konzentrationen von NaNO₃, K₂HPO₄ und Eisenammoniumcitrat wurden die erfindungsgemäßen Medien entwickelt. Anschließend wurde die Alge sowohl im Standardmedium BG-11 als auch in den erfindungsgemäßen Medien in 35-L-Blasensäulenreaktoren kultiviert, um zu überprüfen, ob Wachstum und Primärstoffanteile den Zielvorgaben entsprechen. Die Kultivierung erfolgte in 35 L Medium, einer Belichtung von 4 × 200 μmol Photonen·m^–2·s^–1 Dauerlicht, und einer Temperatur von 30 ± 1 °C. Der pH-Wert wurde mittels CO₂-Zugabe (0,7 % v/v) auf 8,5 konstant gehalten, die Belüftung mit Druckluft erfolgte mit einem Fluss von 1,0 L/min.
Bestimmung des Nitratgehaltes im Medium
Der Nitratgehalt im Medium wurde bestimmt nach DIN 38405-9. Dabei wurde eine Probe der Kulturen zentrifugiert, ein Aliquot Überstand mit Natriumsalicylat-Lösung versetzt und bei 120 °C zur Trocknung eigedampft. Der Rückstand wurde in konzentrierter Schwefelsäure, Saignettsalz-Lösung und Wasser aufgenommen und das sich bildende Produkt photometrisch bei 410 nm bestimmt. Eine Kalibriergerade wurde mit NaNO₃ aufgenommen, wobei die unterschiedlichen Verdünnungen wie der Kulturüberstand behandelt wurden.
Bestimmung der lipophilen Bestandteile
50 mg trockene Biomasse wurden in 5 mL n-Hexan suspendiert, 2 min mit einer Ultraschallsonde behandelt und anschließend 30 min auf einer Magnetrührplatte extrahiert. Die Suspension wurde zentrifugiert und der Überstand gesammelt. Nach 2-maliger Wiederholung wurden die vereinigten Überstände getrocknet und die Extraktausbeute bestimmt.
Bestimmung des Kohlenhydratgehaltes
Für die Bestimmung des Gesamtkohlenhydrat-Gehaltes wurde eine modifizierte Thymol-Schwefelsäure-Methode genutzt (Gröger, W. K. L. „Determination of sugars in biological media with thymol in sulphuric acid" Clinica Chimica Acta, 1961). 20 mg entfettete Biomasse wurde für 2 h in 2 mL 2N HCl hydrolysiert, verdünnt und filtriert. 100 μL Filtrat wurden mit 300 μL Thymol-Reagenz (1 mg/mL Thymol in konz. Schwefelsäure) versetzt, 30 min auf 100 °C erhitzt und bei 509 nm photometrisch bestimmt. Als Kalibrierlösung diente eine Glucoseverdünnung (0,1–0,01 mg/mL Glucose in dest. Wasser), als Blindwert destilliertes Wasser. Beide Proben wurden behandelt wie die Algenhydrolysate.
Bestimmung des Proteingehaltes
Um den Gesamtproteingehalt zu ermitteln, wurde die Ninhydrin-Methode genutzt (Starcher, B „A ninhydrin-based assay to quantitate the total protein content of tissue samples", Analyt. Biochem., 2001). Das Ninhydrin-Reagenz setzte sich wie folgt zusammen: 1 g Ninhydrin wurden in 75 mL Ethylenglycol und 12,5 mL 4N Natriumacetat-Puffer (272 g NaAcetat-Trihydrat in 100 mL Eisessig gelöst, auf 500 mL mit destilliertem Wasser aufgefüllt) gelöst. Direkt vor der Verwendung wurden 14 μL/mL Zinnchlorid-Lösung (100 mg/mL Zinn(II)chlorid in Ethylenglycol) dazugegeben. Für die Bestimmung wurden 5 mg Algenbiomasse in 1 mL 6N HCl für 2 h hydrolysiert, verdünnt und filtriert. Bovines Serumalbumin (BSA) diente als Kalibrierlösung. Nach Herstellung einer Stammlösung wurden Verdünnungen von 10–1 mg/mL BSA mit 6N HCl versetzt und 2 h bei 100°C hydrolysiert. Untersuchungs- und Kalibrierlösungen sowie destilliertes Wasser als Blindwert wurden mit Ninhydrin-Reagenz versetzt, 40 min bei 100°C inkubiert und bei 575 nm photometrisch vermessen.
Beispiel 1: Nitratmangel auf der Basis von BG11-Medium (Fig. 1)
Durch die Messung des Nitratgehaltes kann der Verlauf der N-Konzentration im Medium verfolgt werden. Es zeigt sich, dass der N-Verbrauch weitgehend unabhängig von der Ausgangskonzentration ist, er liegt in der exponentiellen Wachstumsphase der Algen bei etwa 75 mg/L/d. Lediglich zum Ende der Kultivierungszeit, wenn die Algenkultur in die stationäre Wachstumsphase übergeht, nimmt der N-Verbrauch bei den Kulturen mit einer höheren Anfangskonzentration ab. Es ist zu erkennen, dass bis zu einer Anfangskonzentration von 50 % N während der Kultivierungszeit das gesamte Nitrat von den Algen verbraucht wird. Somit stellt sich abhängig vom Ausgangswert zwischen Tag 0 (N0) und Tag 9 (N50) ein Nitrat-Mangel im Kulturmedium ein.
Beispiel 2: Biomasseausbeute und Primärstoffgehalt bei Nitratmangel in BG 11 (Fig. 2 und Fig. 3)
Bis zu einer Nitrat-Konzentration von 20 % bleibt die Biomasseausbeute auf Kontrollniveau (ca. 2,0 g/L) mit einem kleinen Maximum bei N25 (2a). Der Hexanextrakt-Gehalt steigt mit abnehmender N-Konzentration von 15,7 auf 36,0 % stetig an (2b). Der Kohlenhydrat-Gehalt steigt ebenfalls mit abnehmender N-Konzentration an. Er zeigt ein Maximum zwischen N25 (44,9 %) und N15 (45,0 %) und sinkt dann wieder auf Kontrollniveau (N100, 26,6 %) ab (2c). Der Proteingehalt sinkt mit abnehmender N-Konzentration deutlich von 39,5 % (N100) ab und erreicht ein Minimum ab N20 mit ca. 12 % (2d).

Von diesen Ergebnissen ausgehend stellte sich eine N-Konzentration von 25 % als Optimum heraus. Die Biomasseausbeute ist etwa auf Kontrollniveau, Lipid- und Kohlenhydratgehalt sind erhöht und der Proteingehalt deutlich verringert (s. Tab. 1). Tabelle 1: Zusammenfassung Biomasseausbeute und Primärstoffgehalt von S. obtusiusculus bei optimaler Nitrat-Konzentration (N25) im Medium verglichen mit Standardmedium BG-11; Darstellung: MW ± SEM.

Komponente	N100	N25
Biomasse [% Kontrolle]	100,0 ± 0,7	105,2 ± 6,3
Lipidgehalt [%]	15,6 ± 2,8	23,6 ± 3,0
Kohlenhydratgehalt [%]	26,5 ± 1,2	45,4 ± 1,9
Proteingehalt [%]	39,5 ± 1,4	14,9 ± 0,5

Ausgehend von der als optimal identifizierten Nitrat-Menge von 25 % vom Ausgangswert wurde untersucht, wie sich die Biomasse im Verlauf der Kultivierung verhält (3). Zu erkennen ist, dass bereits nach 5 Tagen Kultivierung das Nitrat im Medium verbraucht ist (vgl. auch 1). Die Biomasse steigt jedoch noch mindestens bis zum Tag 14 (9 d ohne N). Die Biomassezusammensetzung stellt sich komplett um. Während in der Anfangsphase ohne N-Limitation Proteine den größten Anteil bilden, steigt bereits 2 Tage nach Einsetzen des Nitratmangels der Kohlenhydrat-Gehalt extrem an. Die Lipidausbeute wird nach ca. 12 d N-Mangel maximal. Der Proteingehalt geht auf rund 10 % zurück. Diese Abbildung veranschaulicht besonders deutlich, dass in dem neu entwickelten Verfahren mit einem einstufigen Kultivierungsprozess die Biomasse die Wunschzusammensetzung (viele Kohlenhydrate und Lipide, wenige Proteine) erreichen kann.
Beispiel 3: Phosphatmangel auf der Basis von BG 11 Medium (Fig. 4)
Phosphatmangel führt zwar zu einer starken Zunahme der Lipidfraktion von 14,0 % (P100) auf 32,5 % (P0), Protein- und Kohlenhydratgehalt nehmen jedoch leicht ab. Die Biomasseausbeute sinkt bereits bei P75 auf 88 % bezogen auf die Kontrolle und erreicht bei P0 nur noch 11 % vom Ausgangswert. Somit scheint eine zu starke Reduzierung der P-Konzentration nicht zu den gewünschten Effekten zu führen. Weitere Versuche zeigten, dass eine Erhöhung der P-Menge keinen Einfluss auf das Algenwachstum oder die Zusammensetzung hat (nicht dargestellt) und damit im BG-11 Medium die optimale Phosphatmenge bereits enthalten zu sein.
Beispiel 4: Eisenmangel auf der Basis von BG 11 Medium (Fig. 5)
Bis zu einer Reduktion der Fe-Konzentration auf 25 % vom Ausgangswert ändert sich hinsichtlich Biomasseausbeute- und Zusammensetzung wenig. Bei Fe10 bleibt die Biomasseausbeute noch annähernd auf Kontrollniveau (93 %), Kohlenhydrat- und Lipidgehalt erhöhen sich jedoch bereits (von 34,3 auf 49,1 % bzw. 10,1 auf 13,4 %) und der Proteingehalt sinkt von 39,6 auf 30,1 %. Wird Fe vollständig aus dem Medium entfernt (Fe0), sinkt die Biomasseproduktion deutlich auf 46,5 % vom Ausgangswert. Somit scheint eine Reduktion von Fe auf 10 % bezogen auf BG-11 sinnvoll.

Nach Auswertung aller Mangelexperimente wurde ein neues Medium konzipiert, das als Grundlage künstliches Meerwasser (A) bzw. natürliches Meerwasser z.B. Ostseewasser (B) nutzt und die essentiellen Bestandteile NaNO₃, K₂HPO₄ und Eisenammoniumcitrat in den als optimal ermittelten Konzentrationen enthält (s. Tab. 2). Tabelle 2: Komponenten des BG-11- und des erfindungsgemäßen Mediums in g/L (Medium B auf Basis von Ostseewasser)

Komponente	BG-11	Erfindungsgemäßes Medium A	Erfindungsgemäßes Medium B
NaNO₃	1,5	0,375	0,375
K₂HPO₄	0,04	0,04	0,04
MgSO₄ × 7H₂O	0,075	0	0
CaCl₂ × 2H₂O	0,036	0	0
C₆H₈O₇	0,006	0	0
Na-EDTA	0,001	0	0
C₆H₈O₇ × nFe × nH₃N	0,006	0,0006	0,0006
Na₂CO₃	0,02	0	0
Spurenelemente	1,0 ml	0	0
Weiteres Salz	0	5	0
Ostseewasser	0	0	1L

Beispiel 5: Ergebnisse nach Kultivierung im erfindungsgemäßen Medium (Fig. 6)
Nach der Kultivierung von S. obtusiusculus A189 in 35-L-Blasenseäulenreaktoren im erfindungsgemäßen Medium A und im BG-11-Medium bestätigten sich die Ergebnisse aus den Mangelexperimenten. Während die Biomasseausbeute nahezu auf Kontrollniveau liegt (2,0 bzw. 1,9 g/L), steigt der Lipidgehalt von 6,0 auf 19,9 %, der Kohlenhydratgehalt von 45,3 auf 50,3 % und der Proteingehalt sinkt von 32,4 auf 15,9 %.
Wird das erfindungsgemäße Medium auf Ostseewasser-Basis (B) hergestellt, ist das Wachstum der Alge im Vergleich zum BG-11-Medium etwas eingeschränkt (1,0 g/L). Der Kohlenhydratgehalt der Biomasse ist jedoch erhöht (51,7 %) und der Proteingehalt verringert (25,3 %). Der Lipidgehalt ist nahezu unverändert. Der noch recht hohe Proteingehalt und der vergleichsweise geringe Lipidgehalt erklären sich aus dem eingeschränkten Wachstum. Durch die verringerte Biomasseproduktion wird das Nitrat im Medium später erschöpft. Die Algen haben daher bis zur Ernte nicht ausreichend Zeit, vermehrt Lipide auf Kosten der Proteine zu bilden (vgl. Beispiel 2, 2). Dem kann durch ein verlängertes Wachstumsintervall oder durch eine geringere Anfangskonzentration an Nitrat begegnet werden.
Beispiel 6: Kultivierung von S. ovalternus SAG 52.80 im erfindungsgemäßen Medium (Fig. 7)
Wird S. ovalternus im erfindungsgemäßen Medium kultiviert, zeigen sich zu Standardmedium nur minimale Unterschiede. Die Biomasseausbeute ist etwas erhöht (2,8 bzw. 2,9 g/L), die Primärstoffzusammensetzung bleibt annähernd identisch. Hier liegt der Vorteil des neuen Mediums hauptsächlich in der Kostenersparnis durch die geringere Menge an benötigten Nährsalzen.
Es konnte gezeigt werden, dass für zwei Scenedesmus-Arten ein Medium entwickelt wurde, welches kostengünstig, leicht herzustellen und hinsichtlich Biomasseausbeute dem Vollmedium BG-11 nicht unterlegen ist.
Die Zusammensetzung der Algen-Biomasse ist dabei von besonderer Bedeutung. Es wird eine Alge benötigt, die viele Lipide bildet, um daraus biogene Schmierstoffe herzustellen. Weiterhin soll der Kohlenhydratanteil der verbleibenden Biomasse möglichst hoch sein, damit diese als Kultursubstrat für Ölhefen fungieren kann. Der Proteingehalt muss dabei möglichst klein sein, da einige schwefelhaltige Aminosäuren das Wachstum der Ölhefen hemmen können. Die Gesamtheit dieser Eigenschaften wird in der Biomasse von Scenedesmus obtusiusculus A189 bzw. von Scenedesmus ovalternus SAG 52.80 vereint, wenn die Algen in dem entwickelten einstufigen Prozess unter Verwendung des erfindungsgemäßen kostengünstigen Mediums das unter den genutzten Licht-, und Temperaturbedingungen dem BG-11 Medium überlegen ist, kultiviert wird. Es wurde ein Kultivierungsregime entwickelt, bei dem bei geringerem Ressourceneinsatz die Produktausbeute deutlich optimiert wurde. In der Literatur ist solch ein Prozess bisher nicht beschrieben. Vielmehr mussten die gewünschten Algen meist in teurem Vollmedium vorkultiviert und nach einer aufwändigen Ernte in Mangelmedium resuspendiert und weiterkultiviert werden, um optimierte Biomasse zu erhalten oder die Kultivierung erfolgte in Mangelmedium mit deutlich reduzierter Biomasseausbeute. Beide Probleme konnten mit dem entwickelten Kultivierungsregime und dem Medium der vorliegenden Erfindung behoben werden.
Die Anwendbarkeit bleibt dabei nicht auf bestimmte Forschungsprojekte beschränkt. Alle Algenprojekte, die im Zusammenhang mit erneuerbaren Energien stehen, können von dieser Entwicklung profitieren. Denkbar ist das Verfahren auch für solche Projekte, bei denen die Kohlenhydrat-Produktion z.B. für die Herstellung von Bio-Ethanol im Vordergrund steht. Ein Scale-up in den industriellen Maßstab sollte jederzeit möglich sein, da bereits die dauerhafte Kultivierung in 35-L-Reaktoren erfolgreich war.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 38405-9 [0138]
Gröger, W. K. L. „Determination of sugars in biological media with thymol in sulphuric acid“ Clinica Chimica Acta, 1961 [0140]
Starcher, B „A ninhydrin-based assay to quantitate the total protein content of tissue samples“, Analyt. Biochem., 2001 [0141]

Claims

Algen-Kulturmedium mit einem Salzgehalt von 2 g/L bis 10 g/L umfassend oder bestehend aus: a) 0,15 g/L bis 1 g/L NaNO₃; b) 0,02g/L bis 0,06g/L K₂HPO₄; c) 0,00015 g/L bis 0,003g/L Eisenammoniumcitrat; und d) ein oder mehrere weitere Salze, wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel enthalten; und e) Wasser, wobei sich die Angaben in g/L auf das Gesamtvolumen des Algen-Kulturmediums beziehen.
Algen-Kulturmedium nach Anspruch 1, umfassend oder bestehend aus: a) 0,225 g/L bis 0,525 g/L NaNO₃; b) 0,03 g/L bis 0,05 g/L K₂HPO₄; c) 0,0003 g/L bis 0,0015 g/L Eisenammoniumcitrat; und d) ein oder mehrere weitere Salze, wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel enthalten; und e) Wasser, wobei sich die Angaben in g/L auf das Gesamtvolumen des Algen-Kulturmediums beziehen.
Algen-Kulturmedium nach Anspruch 1 oder 2, umfassend oder bestehend aus: a) 0,3 g/L bis 0,45 g/L NaNO₃; b) 0,036 g/L bis 0,044 g/L K₂HPO₄; c) 0,00045 g/L bis 0,0009 g/L Eisenammoniumcitrat; und d) ein oder mehrere weitere Salze, wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und/oder Schwefel enthalten; und e) Wasser, wobei sich die Angaben in g/L auf das Gesamtvolumen des Algen-Kulturmediums beziehen.
Algen-Kulturmedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Algen-Kulturmedium einen Salzgehalt von 3 g/L bis 7 g/L aufweist, bevorzugt von 4 g/L bis 6 g/L.
Algen-Kulturmedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ein oder mehreren weiteren Salze aus d) kein NaNO₃, K₂HPO₄ und Eisenammoniumcitrat enthalten.
Algen-Kulturmedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die weiteren Salze mindestens Natrium, Chlor, Magnesium, Calcium, Kalium und Schwefel enthalten.
Algen-Kulturmedium nach Anspruch 6, wobei die weiteren Salze 10 % bis 40 % Natrium, 35 % bis 65 % Chlor, 1% bis 6 % Magnesium, 0,5 % bis 3 % Calcium, 0,5 % bis 3 % Kalium und 1% bis 20% Schwefel enthalten, wobei sich die Angaben in % auf die Gesamtmenge der weiteren Salze beziehen.
Algen-Kulturmedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Algen-Kulturmedium zusätzlich Spurenelemente enthält.
Algen-Kulturmedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei den Komponenten d) und e) des Algen-Kulturmediums um eine Einzelkomponente handelt, bevorzugt um Meerwasser.
Verwendung des Algen-Kulturmediums nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Kultivierung von Algen.
Verfahren zur Kultivierung von Algen umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer Zusammensetzung enthaltend Algen und ein Kulturmedium nach einem der Ansprüche 1 bis 9; b) Belichten der Zusammensetzung; c) Zugabe von Kohlendioxid zu der Zusammensetzung; und d) ggf. Ernte der kultivierten Algen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Zusammensetzung temporär belichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 wobei die Kultivierung bei einer Temperatur von ≥ 10°C stattfindet, bevorzugt zwischen 15°C und 40°C, besonders bevorzugt zwischen 25°C und 38°C, ganz besonders bevorzugt zwischen 28°C und 32°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Kultivierung für mindestens 24 h stattfindet, bevorzugt für 48 h bis 60 Tage, besonders bevorzugt für 72 h bis 28 Tage, ganz besonders bevorzugt für 96 h bis 14 Tage.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei es sich bei dem Kultivierungsverfahren um einen einstufigen Prozess handelt, bei dem die Algen in einem einzigen Kulturmedium kultiviert werden.