Universität zu Köln

Costa Kiperstok, Alice (2016). Optimizing immobilized cultivation of Haematococcus pluvialis for astaxanthin production. PhD thesis, Universität zu Köln.

Preview

PDF KIPERSTOK_PhD_Thesis_Final_version.pdf - Updated Version Download (11MB)

Abstract

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.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Astaxanthin production from Haematococcus pluvialis is one of the main branches of microalgal biotechnology. Commercial interest rises from its applications as a pigment in animal feed and more recently in human health, due to its potent antioxidant activity. However, challenges in large-scale production of H. pluvialis, associated to both algal metabolism and cultivation strategies, still limit the market of natural astaxanthin. Current cultivation technologies are based on suspension systems that have major drawbacks such as high water, energy and technical requirements. These problems can be avoided by immobilized cultivation, which is therefore receiving increased attention. In this study, H. pluvialis was cultivated under immobilized conditions, in a Twin-Layer PSBR. 26 different strains of H. pluvialis were capable of biofilm growth and astaxanthin production and CCAC 0125 was selected for process optimization. Biomass and astaxanthin production increased as a function of the light intensity, until up to 1,015 µmol photons m-2 s-1, with no sign of photoinhibition. Maximum biomass productivity of 19.4 g m-2 d-1 was observed at high light. Nutrient limitation and salinity increased astaxanthin production but compromised biomass growth. Nevertheless, highest astaxanthin productivity of 0.507 g m-2 d-1 and content in biomass of 3.5% of dry matter was reported at high irradiance, under nitrogen and phosphorous depletion. These results strongly encourage the immobilized cultivation of H. pluvialis as an alternative to current technologies. Coupling high biomass and astaxanthin productivities under high light intensities was possible due to the biofilm organization. It can represent a breakthrough in the commercial production of H. pluvialis by exempting the need of pre-cultivation at low light and thereby, simplifying the costly two-step processes currently employed. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Costa Kiperstok, Alice kiperstok@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-67287
Date:	March 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 Microalgae English Haematococcus pluvialis UNSPECIFIED Biofilm English Astaxanthin English
Date of oral exam:	7 March 2016
Referee:	Name Academic Title Melkonian, Michael Prof. Dr. Becker, Burkhard Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6728