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Mikroalgen gelten als nachhaltige Rohstoffquelle für eine biobasierte Wirtschaft. Sie bauen ihre Biomasse mit Hilfe von Sonnenlicht als Energiequelle und umweltschädlichem Kohlendioxid als Kohlenstoff-Quelle auf. Mit ihrer großen Diversität und Inhaltsstoffen, die in Pflanzen und anderen Mikroorganismen nicht oder nur in geringen Mengen auftreten, bieten sie ein enormes Potenzial zur industriellen Gewinnung von Lebens- und Futtermitteln, Kosmetikzusätzen, Pharmawirkstoffen, Feinchemikalien, Biopolymeren oder auch nanostrukturierten Materialien.

Zur Entwicklung und Durchführung biotechnologischer Verfahren mit hohen Biomasse- und Produktausbeuten für Mikroalgen und andere biotechnologische Produktionsorganismen sind Methoden erforderlich, die neben der Bestimmung von Zellwachstum und Zellvitalität auch die prozessbegleitende Analyse spezifischer Wert- und Wirkstoffe erlauben.

Problemstellung / Lösung
 
Zur Realisierung einzelner Mess- und Regelungsprozesse sind technische Lösungen bekannt (Durchflusszytometer, Fluoreszenzspektralphotometer, OD-Sensoren u.a.).  Jedoch existiert bislang kein Gerätesystem mit frei wählbaren Wellenlängen im Fluoreszenz- und UV/Vis-Bereich, das variabel steuerbar ist und für die Mikroalgenzüchtung die Einzelprozesse bündelt und automatisiert:

• eine prozessbegleitende Bestimmung des Zellwachstums,
• eine Erfassung des Vitalzustandes der Zellen über Photosynthesepigmente,
• eine definierte Verdünnung auf Basis der gemessenen Zellkonzentration,
• eine online-Bestimmung intrazellulärer Wertstoffe wie Lipide (Triacylglycerine,
  Polyhydroxyalkanonate).

Das System kann vorzugsweise in Labor- und Fertigungsanlagen für die Algenzüchtung eingesetzt werden. Dies ist ein stark wachsender Markt.

Das entwickelte Universaldurchflussmessgerät besteht aus einer Lichtquelle, die für den Wellenlängenbereich der zu detektierenden Probe ausgelegt wird. Deren Spektrum wird über einen Spiegel auf einen Monochromator gelenkt, um dann mit einer ausgewählten Wellenlänge die Probe in der Durchflusszelle (Messzelle) zu bestrahlen. Über das Absorptionssignal (Photodiodenarray-Detektor) kann die optische Dichte bestimmt werden. Das Fluoreszenzsignal wird im rechten Winkel abgegriffen. Mithilfe enes Monochromators wird die gewünschte Wellenlänge zum Fluoreszenz-Detektor geleitet. Steuerung, Datenerfassung und Auswertung werden über ein entsprechendes Programm in einer zentralen Steuereinheit realisiert. Dies betrifft sowohl den gesamten Steueralgorithmus der Apparatur, als auch die notwendigen mathematischen Berechnungen für die Ermittlung des Wertstoffgehaltes, der optischen Dichte der angesaugten Kultursuspension, sowie die Steuerung des Universaldurchflussmessgerätes selbst.

Das System ist entwickelt und im Algentechnikum des Kompetenzzentrums für Algenbiotechnologie (CAB) der Hochschule Anhalt in Betrieb. Es ermöglicht:

• die online-Bestimmung spezifischer Wert- und Wirkstoffe in Mikroalgen, die kontinuierlich über das Fluoreszenzsignal während des Produktionsprozesses erfasst werden (Ermittlung optimaler Produktausbeuten und Kultivierungsbedingungen),

• die parallele Bestimmung absorptionsfähiger Biomoleküle zur Erfassung des Vitalzustandes der Zellen (über Photosynthesepigmente),

• die Bestimmung des OD-Wertes zur Ermittlung des Zellwachstums und zur automatischen Einstellung der Verdünnung für die fluorimetrische Messung.