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Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik
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Marine Biotechnolgie
 
    Dr.-Ing. Philipp Schwerna
 
 
 
    Marine Biotechnologie


 

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  Bluedotleer Phototrophe Mikroorganismen - Potentiale
 
   
Unter Mikroalgen versteht man phototrophe uni- und oligozelluläre Organismen - also mikroskopische kleine Pflanzen - die am Anfang der Nahrungskette stehen und die Primärproduzenten von Sauerstoff darstellen. Zu ihnen gehören die eukaryontischen Grün-, Rot-, Gold-, Kieselalgen und Dinoflagellaten ebenso wie die prokaryontischen Cyanobakterien oder Blaualgen. Diese Mikroorganismen sind ubiquitär verbreitet, d. h. sie besiedeln die unterschiedlichsten Lebensräume und sie weisen eine sehr hohe Biodiversität - also Formen- und Artenvielfalt - mit entsprechend vielfältigen Stoffwechselwegen auf.


Insgesamt stellen Algen - mit geschätzten mindestens 50.000 Spezies - damit eine reichhaltige Quelle für unterschiedliche Naturstoffe wie langkettige polyungesättigte Fettsäuren (Omega-3-Fettsäuren) sowie Antioxidanzien (wie ß-Carotin, Astaxanthin) oder für biologisch aktive Substanzen mit z. T. pharmakologischer Relevanz (z. B. antibiotisch, antiviral, antitumoral) dar, welche allerdings weitestgehend noch ungenutzt ist.
 

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  Bluedotleer Kultivierungstechnik - Anforderungen
 
   
Phototrophe Mikroorganismen benötigen Licht als Engergiequelle sowie CO2 und Nährsalze zum Biomassewachstum. Des Weiteren stellt die Temperatur einen wichtigen Parameter bei Wachstum und Produktbildung dar


Limitierend für das Wachstum ist dabei meist die Lichtversorgung. Die Algenzellen absorbieren das Licht naturgemäß sehr effektiv, so dass bereits bei relativ geringen Zelldichten die gesamte Strahlung innerhalb einiger Millimeter in der Algensuspension vollständig absorbiert wird. Daher weisen Photobioreaktoren geringe Schichtdicken bezüglich der Lichtbestrahlung auf.


 

    Algensuspension
 
Abschwächung des Lichtes in einer Algensuspension


   
Aus dem Primärproblem der Lichtversorgung resultieren zwei Sekundärprobleme: Maßstabsvergrößerung (Scale-up) und Sterilität. Das Scale-up führt bei offenen und geschlossenen Anlagen zu großen Oberflächen mit entsprechenden Problemen bezüglich Durchmischung, Gasversorgung und unbefriedigender Produktivität. Sterilität ist bei offenen Anlagen prinzipiell nicht zu erreichen und wird bei geschlossenen Anlagen meist durch die verwendeten Materialien und Baugrößen verhindert. Bei der Nutzung der Mikroalgen als Quelle für Produkte des pharmakologischen Bereiches und bei Kultivierungsmodi mit Medien, die organische C-Quellen enthalten (mixotrophes Wachstum) ist diese Sachlage von besonderer Bedeutung, da Kontaminationen vermieden werden müssen.
 
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  Bluedotleer MEDUSA-Photobioreaktorsystem
 
   
Am Lehrstuhl Bioverfahrenstechnik wurde in enger Kooperation mit dem T. Steinau Ing.-Büro für Verfahrenstechnik und Biotechnologie Berlin das thermisch sterilisierbare Photobioreaktorsystem MEDUSA entwickelt.
 
Der patentierte MEDUSA-Photobioreaktor basiert auf einem Airlift-Schlaufenprinzip. Die Bestrahlungsstärke kann über einen Light-Controller geregelt werden. Bisher existieren Reaktoren im 10 Liter-, 25 Liter-, 60 Liter- und 100 Liter-Maßstab. Anlagen im Kubikmeter-Maßstab sind geplant.


 

    Medusa-Photobioreaktor
 
25 Liter Medusa-Photobioreaktor


    Das Medusa-System eignet sich aufgrund seines schonenden Airlift-Antriebes besonders für die Kultivierung schwerkraftempfindlicher Organismen.
 
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  Bluedotleer Photobioreaktor Screening-Module (PSM)
 
   
Um das Potential der phototrophen Mikroorganismen nutzen zu können, sind Screening- und Grundlagenuntersuchen notwendig. Dazu wurden Photobioreaktor-Screening-Module (PSM) im Liter-Maßstab entwickelt. Die Module werden als Blasensäulen betrieben und ermöglichen es, die Mikroalgen mit effizienter Lichtversorgung unter definierten Bedingungen in Parallelansätzen und unter monoseptischen, d. h. sterilen und damit pharmarelevanten Bedingungen für Grundlagenuntersuchungen zu kultivieren.
 
Die in den PSM vorgenommenen Untersuchungen werden dann in die Medusa-Reaktoren des 10 bis 100-Liter-Maßstabes übertragen, um weitere Screeninguntersuchungen bzw. Untersuchungen zur Strukturaufklärung der gebildeten Substanzen und schließlich zur klinischen Testung vorzunehmen.
 
Die Blasensäulen dienen auch zur Optimierung der Kultur- und Produktionsbedingungen bezüglich des Kultivierungsmodus (batch, fed-batch, kontinuierlich sowie autotroph, mixotroph) und der relevanten Kultivierungsparameter (Licht- und CO2-Versorung, Begasungsrate, Temperatur sowie Nährmedium).
 
Mit der Kombination aus PSM und Medusa-Photobioreaktorsystem kann die Organismengruppe der Mikroalgen der Naturstoff-Forschung und Pharmaentwicklung zugänglich gemacht werden.


 

    Scal-up
 
Scale-up


   
Die Reaktoren sind GMP-fähig und finden bereits Anwendung in der Kultivierung unterschiedlichster Spezies zur Produktion von antibiotisch wirkenden Komponenten, pharmakologisch relevanten Substanzen sowie von Omega-3-Fettsäuren.
 
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  Bluedotleer Forschungsaktivitäten
 
   
Unsere Forschungsarbeiten fokussieren sich auf die Etablierung und Optimierung von Kultivierungsprozessen unterschiedlichster Mikroalgen und Cyanobakterien zur Produktion hochwertiger Inhaltsstoffe unter vollständig kontrollierbaren Bedingungen.
 
Dabei stehen die mixotrophe Kulturführung, d. h. die Kombination von Licht und organischen C-Quellen, z. B. zur Produktion von polyungesättigten Fettsäuren (PUFA) sowie das Screening nach antiviralen Wirkstoffen im Mittelpunkt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Isolierung und Identifizierung antiviraler Wirkstoffe gegen das humane Cytomegalievirus (HCMV) sowie die humanen Herpesviren-6 und -7 (HHV-6 und -7)
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  Bluedotleer Abgeschlossenes AiF-Forschungsvorhaben: 13883 BG
 
    Forschungsstellen:
 
1) Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik, FAU Erlangen-Nürnberg
 
2) Medizinische Klinik II m.S. Onkologie und Hämatologie, Charité, Berlin
 
Bewilligungszeitraum: 01.09.2003 - 28.02.2006
 
Forschungsthema: Screening antiviraler Komponenten aus aquatischen Mikroorganismen
 
Bei Interesse am Schlussbericht:
Kontakt: Prof. Dr. Rainer Buchholz; sekretariat(at)bvt.cbi.uni-erlangen.de

 
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  Bluedotleer Abgeschlossenes AiF-Forschungsvorhaben (Folgevorhaben): 14895 BG
 
   
Forschungsstellen:
 
1) Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik, FAU Erlangen-Nürnberg
 
2) Medizinische Klinik II m.S. Onkologie und Hämatologie, Charité, Berlin
 
Bewilligungszeitraum: 01.08.2006 - 31.07.2008
 
Forschungsthema: Screening antiviraler Komponenten aus aquatischen Mikro-organismen
 
Aufbauend auf den positiven Ergebnissen des AiF-Forschungsvorhabens 13883 BG wurden die Forschungsaktivitäten im Bereich des Screenings nach antiviralen Komponenten aus aquatischen Mikroalgen weiter fortgeführt.
 
Bei Interesse am Schlussbericht:
Kontakt: Prof. Dr. Rainer Buchholz; sekretariat(at)bvt.cbi.uni-erlangen.de

 
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