Universität zu Köln

Langenbach, Dorothee (2016). Optimising biomass and peridinin production in the immobilised cultivation of the dinoflagellate Symbiodinium voratum. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Dinoflagellates are a natural resource for unique secondary metabolites and pigments,which have great potential in the application in biomedical drug development, cosmetics and aquaculture. However, biotechnological cultivation of dinoflagellates in the common suspension-based closed photobioreactors (PBRs) has been proven to be problematic due to the sensitivity of the cultures against the associated shear forces. To overcome these and other constrains of suspension systems immobilised cultivation of the dinoflagellate Symbiodinium voratum is performed using a Twin-Layer porous substrate biofilm reactor (TL PSBR). In this thesis, the optimisation of the production of biomass and anti-oxidant peridinin, the main carotenoid of S. voratum, in TL PSBRs was investigated. In the optimisation process a maximal biomass productivity of 7.8 g m−2 was recorded at a light intensity of 600 µmol photons m−2 s−1 and 2 % CO2. Due to the persistent linear growth of the S. voratum biofilm a maximal biomass yield of 305 g m−2 was gained which is higher than in other biotechnological cultivated microalgae in the TL PSBR, like Haematococcus pluvialis. The peridinin production in S. voratum was enhanced by exposure of the biofilm to low light and high temperatures. While the peridinin yield (0.93 g m−2) and productivity (28.0 mg m−2 d−1) was highest at a light intensity of 100 µmol photons m−2 s−1, maximal peridinin concentration of 1.8 % of dry weight was obtained at 15 µmol photons m−2 s−1. Due to opposing conditions for biomass and peridinin production a two-step cultivation approach, composed of the combination of growth and peridinin enhancing phases was performed. Thereby, in this thesis, a maximal peridinin productivity of 51.4 mg m−2 d−1 was obtained. In addition up-scaling of the immobilised culture of S. voratum in a horizontal fleece-based TL PSBR, with a growth area of 2 m2, was shown to generate under comparable conditions as in the bench-scale experiment identical results. Therefore the TL PSBR presents an alternative biotechnological system for the large scale application of dinoflagellates.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Dinoflagellaten stellen eine natürliche Quelle für einzigartige Sekundärmetabolite und Pigmente dar, die großes Potential in der Verwendung für biomedizinische Produkte, Kosmetika und Aquakulturen von Fischen und Meeresfrüchten haben. Allerdings hat sich die biotechnologische Kultivierung von Dinoflagellaten in den gängigen suspensions-basierten geschlossenen Photobioreaktoren (PBRs) als schwierig herausgestellt, da die Kulturen sehr empfindlich gegenüber den dort bestehenden Scherkräften sind. Zur Überwindung dieser und anderer Limitationen in Suspensionssystemen wurde eine immobilisierte Kultivierung des Dinoflagellaten Symbiodinium voratum an Hand des "Twin-Layer porous substrate biofilm reactors" (TL PSBR) vorgenommen. In dieser Arbeit wurde die Produktion von Biomasse und Peridinin, dem anti-oxdianten Hauptcarotenoid von S. voratum, im TL PSBR optimiert. Die maximale Biomasseproduktion von 7,8 g m−2 wurde bei einer Lichtintensität von 600 µmol photonen m−2 s−2 und 2 % CO2 verzeichnet und aufgrund des konstanten linearen Wachstums des S. voratum Biofilms wurde ein maximaler Biomasseertrag von 305 g m−2 erreicht. Die Produktion von Peridinin in S. voratum wurde durch den Einsatz von geringem Licht und hoher Temperatur gesteigert. Während der Ertrag an Peridinin (0,93 g m−2) und die Produktivität (28.0 mg m−2 d−1) bei einer Lichtintensität von 100 µmol photonen m−2 s−2 am höchsten war, wurde die maximale Peridinkonzentration von 1,8 % bei 15 µmol photonen m−2 s−2 erreicht. Aufgrund der gegensätzlichen Bedingungen für optimale Biomasse und Peridinin Produktion wurde eine zweistufige Kultivierungsstrategie entwickelt, bestehend aus einer Wachstumsphase der Biomasse und einer sich anschließenden Akkumulationsphase des Peridinins. Damit wurde die maximale Peridininproduktivität von 51,4 mg m−2 d−1 in dieser Arbeit erreicht. Zusätzlich wurde durch Hochskalieren der immobilisierten Kultur von S. voratum in einem horizontalen Fleece-basierten TL PSBR, mit 2 m2 Wachstumsfläche, identische Ergebnisse zu den Experimenten im Labormaßstab erzielt. Dies zeigt die Eignung des TL PSBRs als alternatives biotechnologisches System für die Massenkultivierung von Dinoflagellaten. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Langenbach, Dorothee Dorothee.langenbach@gmx.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-74643
Date:	2016
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Botanical Institute
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Marine Dinoflagellate English Immobilised cultivation English Photobioreactor English
Date of oral exam:	24 October 2016
Referee:	Name Academic Title Melkonian, Michael Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7464