Optimizing immobilized cultivation of Haematococcus pluvialis for astaxanthin production

Die Produktion von Astaxanthin mittels Haematococcus pluvialis ist eines der wichtigsten Fachgebiete der Mikroalgen Biotechnologie. Kommerzielles Interesse ist zurückzuführen auf dessen Anwendungen als Pigment in der Tierzucht und neuerdings auch im Bereich des Gesundheitswesens, begründet auf seiner starken anti-oxidativen Wirkung. Allerdings begrenzen die Herausforderungen in der industriellen Produktion von H. pluvialis, in Bezug auf den Metabolismus der Alge wie gleichermaßen auch die Kultivierungsstrategie, immer noch den Markt für natürliches Astaxanthin. Die derzeit gängigen Kultivationstechnologien basieren auf Suspensionssystemen, welche weitgehende Nachteile mit sich führen, wie hoher Wasser-, Energie und Technikaufwand. Diese Probleme können durch die Anwendung einer immobilisierten Kultivation vermieden werden, weshalb diesem Verfahren immer mehr Aufmerksamkeit zu Teil wird. In dieser Arbeit wurde H. pluvialis als immobilisierte Kultur in einem Twin-Layer PSBR verwendet. Insgesamt wurden 26 verschiedene Arten von H. pluvialis gefunden, die als Biofilm wachsen und Astaxanthin produzieren konnten, wobei der Stamm CCAC 0125 zur weiteren Optimierung des Prozesses ausgewählt wurde. Biomasse und Astaxanthin Produktion stiegen zunehmenden in Abhängigkeit zu der Lichtintensität, bis einschließlich 1,015 µmol Photonen m-2 s-1, ohne Anzeichen von Photoinhibition. Maximale Biomasse Produktivität von 19.4 g m-2 d-1 wurde unter starken Lichtverhältnissen verzeichnet. Nährstofflimitierungen und Salinität unterstützen die Astaxanthin Produktion hinderten allerdings das Wachstum der Biomasse. Nichtdestotrotz, wurde die höchste Astaxanthin Produktivität von 0.507 g m-2 d-1 mit einem Biomasseanteil von 3.5% in der Trockenmasse durch starke Belichtung sowie Stickstoff- und Phosphatmangel erreicht. Diese Ergebnisse bestärken die Verwendung der immobilisierten Kultivation von H. pluvialis als Alternative zu den derzeitigen Technologien. Die Verknüpfung von hoher Biomasse mit der Produktion von Astaxanthin bei starkem Lichtintensitäten wurde nur durch die Anordnung in einem Biofilm ermöglicht. Es kann einen Durchbruch in der kommerziellen Herstellung von H. pluvialis darstellen, da hierbei das Vorziehen der Kulturen bei geringen Licht entfällt, was wiederum den derzeit verwendeten komplexen Zwei-Stufen Prozess stark vereinfacht.

Immobilized Microalgae for Nutrient Recovery from Source Separated Urine

Shortages in supply of nutrients and freshwater for a growing human population are critical global issues. Traditional centralized sewage treatment can prevent eutrophication and provide sanitation, but is neither efficient nor sustainable in terms of water and resources. Source separation of household wastes, combined with decentralized resource recovery, presents a novel approach to solve these issues. Urine contains within 1 % of household waste water up to 80 % of the nitrogen (N) and 50 % of the phosphorus (P). Since microalgae are efficient at nutrient uptake, growing these organisms in urine might be a promising technology to concomitantly clean urine and produce valuable biomass containing the major plant nutrients. While state-of-the-art suspension systems for algal cultivation have mayor shortcomings in their application, immobilized cultivation on Porous Substrate Photobioreactors (PSBRs) might be a feasible alternative. The aim of this study was to develop a robust process for nutrient recovery from minimally diluted human urine using microalgae on PSBRs. The green alga Desmodesmus abundans strain CCAC 3496 was chosen for its good growth, after screening 96 algal strains derived from urine-specific isolations and culture collections. Treatment of urine, 1:1 diluted with tap water and without addition of nutrients, was performed at a light intensity of 600 μmol photons m-2 s-1 with 2.5 % CO2 and at pH 6.5. A growth rate of 7.2 g dry weight m-² day-1 and removal efficiencies for N and P of 13.1 % and 94.1 %, respectively, were determined. Pre-treatment of urine with activated carbon was found to eliminate possible detrimental effects of pharmaceuticals. These results provide a basis for further development of the technology at pilot-scale. If found to be safe in terms human and environmental health, the biomass produced from three persons could provide the P for annual production of 31 kg wheat grain and 16 kg soybean, covering the caloric demand in food for almost one month of the year for such a household. In combination with other technologies, PSBRs could thus be applied in a decentralized resource recovery system, contributing to locally close the link between sanitation and food production.