Über unsterile Großkulturen von Scenedesmus obliquus

64 Pages·1966·1.621 MB·German

by  Prof. Dr. Dr. h. c. Heinrich Kraut, Dr. rer. nat. Maria-Elisabeth Meffert (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 1648
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
DK 582.264.48
58.09
Prof. Dr. Dr. h. c. Heinrich Kraut
Dr. rer. nat. Maria-Elisaheth Meffert
Kohlenstoffbiologische Forschungsstation e. V., Dortmund
Über unsterile Grofikulturen von
Scenedesmus obliquus
WESTDEUTSCHER VERLAG KÖLN UND OPLADEN 1966
ISBN 978-3-663-06444-2 ISBN 978-3-663-07357-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07357-4
Verlags-Nr.2011648
© 1966 by Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
Inhalt
I. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
11. Bestimmungsmethoden........................................ 10
lIl. Kulturbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1. Kulturbehälter, Turbulenzerzeugung und CO2-Zufuhr . . . . . . . . .. 11
a) Kulturbehälter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
b) Turbulenzerzeugung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12
c) CO -Zufuhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2
2. Nährlösung ............................................... 27
a) Ersatz der verbrauchten Nährsalze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27
b) Eignung von Ammonium- und Nitratsalzen als N-Quelle .... 27
c) pH der Nährlösung ..................................... 30
3. Temperatur ............................................... 30
IV. Veränderungen der Scenedesmus-obliquus-Zelle in der GroGkultur .. 33
V. Verunreinigungen und deren Bekämpfung ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38
1. Fremdalgen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38
2. Protozoen und Rotatorien .................................. 39
3. Insektenlarven............................................. 39
4. Pathogene Pilze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40
5. Anwendung von Fungiciden zur Bekämpfung der parasitären Pilze 42
a) Geprüfte Fungicide ..................................... 42
b) Wirkung der Fungicide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43
VI. Handhabung der Kulturen .. . .. . . .. . ... . . .. . ... . . . .... . . . .... .. 44
1. Ansatz der Kulturen ....................................... 44
2. Laufzeit der Kulturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44
3. Kulturdauer............................................... 45
4. Verdünnung............................................... 46
5. Zentrifugieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47
6. Trocknung................................................ 48
5
VII. Bestimmung des Waehstums und der Ausbeuten.......... ........ 50
1. Bestimmung der optisehen Dichte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
2. Bestimmung der Zellzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52
3. Bestimmung der Troekensubstanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52
4. Bestimmung des »paeked eell volume«.... . ..... . ...... ..... .. 52
VIII. Ausbeuten................................................... 53
IX. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57
X. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59
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1. Einleitung
Zu den Grünalgen-Gattungen Chlorella und Scenedesmus gehören Arten mit
ho hen Verrnehrungsraten [7,43, 51], deren Substanz je nach den Kulturbedin
gungen entweder zu über 50% aus Eiwei6 oder Fett oder Kohlenhydraten
bestcht [1,46]. Da diese Algen auch reichlich Vitamine enthalten, wurde ihre Ver
wendung als Nahrungs- und Futtermittel immer wieder diskutiert [2,24, 30, 47,
52]. Seit 1949 wurden Untersuchungen an Aigengro6kulturenl von mehreren
Seiten in Angriff genommen [4, 20, 27, 34]. Die unsterile Aigengro6kultur erwies
sich anfangs jedoch als problematisch. Urn die aus Laborversuchen bekannten
hohen Ausbeuten zu erhalten, wurde mit verschiedenen Kulturverfahren experi
mentiert [2]. Die ersten unsterilen Freilandkulturen mit 200-500 I Suspension
wurden 1950 von der Kohlenstoffbiologischen Forschungsstation in Essen be
trieben [20]. Anschlie6end an erste orientierende Vers uche wurde in Japan mit der
Essener unsterilen Kulturmethode und Durchsprudelungstechnik weitergearbeitet,
bis das von T AMIYA eingeführte » offene Zirkulationssystem « verwandt wurde [50].
In Israel wurden ab 1950 Algen in 1 m tiefen Behältern nach der Methode von
MAYER et al. [18] kultiviert. In Deutschland [23] wurde das Durchsprudelungsver
fahren durch eine neue Rührmcthode ersetzt. In den letzten Jahren wurden auch
aus RuBland Untersuchungen über Aigengro6kulturen bekannt [35]. Nach
NAKAMURA [30] laufen ebenfalls in China Experimente mit Algengro6kulturen. In
Ungarn kultivieren FELFÖLDY et al. [5] Scenedesmus obtusiusculus in aquarium
artigen 200 I fassenden Glasbehältern.
Nach unseren Erfahrungen ist für die Arbeit an Aigengro6kulturen die Unter
suchung folgender Pro bleme vordringlich:
1. Schaffung von Kulturbedingungen, die hinsichtlich Aigenwachstum und Wirt
schaftlichkeit optimal sind.
2. Untersuchung der Reaktion der Algen auf Wechsel der Kulturbedingungen.
3. Untersuchung technischer und biologisch-technischer Vorgänge.
Zu 1. Es liegen Untersuchungen über Turbulenzerzeugung mit CO2-Zufuhr und
über Zusammensetzung, Erneuerung und Wiederverwendung des Kultur
mediums, Zugabe von Nährsalzen und Einflu6 der Stickstoffquelle auf Wachstum
und Ausbeuten vor [11, 12, 13, 19,20,23,26,27,39,51]. Dagegen ist über eine
optimale CO2-Dosierung weniger bekannt.
Unter Grofikultur werden im folgenden Algenkulturen ab 1000 I verstanden. Kulturen
1
wit kleinerem Volumen werden als Massenkultur bezeichnet.
7
Da sich Luft-C02-Gemische mit 1-5 Vol.-% CO2 als CO2-Quelle in Laborver
suchen für AlgenkuIturen bewährt hatten, wurden solche C02-Gemische auch
für AlgengroBkuIturen verwandt. MAYER et al. benutzten erstmals für Chlorella
GroBkuIturen unverdünntes CO2 [18]. Auch für unsere Scenedesmus-KuIturen
erwies es sich als geeignet [23], wobei die Dosierung nach Schätzwerten in Ab
hängigkeit von ]ahreszeit und Wetter zwei- bis viermal am Tag vorgenommen
wurde [23]. Dieses Verfahren erwies sich später auch bei Chlorella als brauch
bar [19]. Da nähere Angaben jedoch nicht vorlagen, haben wir Untersuchungen
über die erforderliche CO2-Menge und die Dosierungszeit durchgeführt, über die
im folgenden berichtet wird.
Urn die für eine optimale Substanzproduktion erforderliche Turbulenz zu er
zeugen, wurden verschiedene Verfahren erprobt und weitere Vorschläge erörtert
[19, 23, 51]. Verbesserungen und Anderungen unserer Methode sind in dies er
Arbeit angegeben.
Zu 2. Über die Reaktion der Algen auf Veränderungen der Bedingungen ist bei
GroBkuIturen wenig bekannt. Als Kriterien benutzt man meist die Produktion
von Substanz und ZeIlen. An der Zelle selbst zu beobachtende Veränderungen
konnten bislang seIten in Beziehung zu Anderungen der Kulturbedingungen
gebracht werden. Es sind zwar eine Reihe von Ursachen für die Bildung und den
Zerfall von Scenedesmus-obliquus-Coenobien beschrieben worden, dagegen sind
die Gründe für die Kettenbildung von Scenedesmus (Dactylococcus-Stadium),
die Zusammenballung von AlgenzeIlen zu Flocken, das unterschiedliche Schwebe
vermögen der AlgenzeIlen und GröBenveränderungen, die vom Entwicklungs
cyclus unabhängig sind, kaum bekannt.
Zu 3. Neben rein technischen Problemen, wie z. B. Steuerung des technischen
Apparats und Automatisierung, gibt es biologisch-technische ProbIerne, die nur
bei Kenntnis der biologischen V orgänge optimal gelöst werden können. Dazu
gehört z. B. die Gewinnung von Algentrockensubstanz in verdaulicher Form. Die
inzwischen abgeschlossenen Untersuchungen [24] zeigten, daS für eine optimale
Ausnutzung der Algensubstanz im menschlichen oder tierischen Organismus die
Zelle aufgeschlossen werden muS. Das gelingt nicht mit schonenden Verfahren,
wobei die ZeIlen schrumpfen, sondern erfordert kurze Einwirkung hoher Tem
peraturen, z. B. durch Walzentrocknung oder durch Aufkochen suspendierter
Algen.
Ein weiteres biologisch-technisches Problem ergab sich beim Abpumpen der
Algensuspension. Fast alle Turbulenz erzeugenden Methoden - ob Rührung oder
Durchsprudelung - erfordern eine bestimmte Schichthöhe für optimale Wirkung.
Wird diese Schichthöhe während des Abpumpens von Suspension unterschritten,
wird die Turbulenz ungenügend und die ZeIlen sedimentieren. Durch schnelleres
Absinken reichern sich die schweren ZeIlen in der restlichen Suspension an. Wird
die Sedimentation nicht verhindert, kann das Abpumpen zur Selektion groSer,
schwerer ZeIlen führen. AuSerdem werden dab ei zu geringe Ausbeuten erhalten,
die dann auch nicht mit anderen, die Algenverrnehrung kennzeichnenden GröSen,
wie Zunahme von ZeIlzahl und Extinktion, übereinstimmen. Für das Wachstum
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einer AlgengroBkultur, die Ausbeuten, die Beschaffenheit und Zusammensetzung
der Substanz sind daher optimal ablaufende technische V orgänge von gleicher
Bedeutung wie optimale Kulturbedingungen.
Als noch nicht zufriedenstellend gelöstes Problem ist die Abtrennung der Algen
zu nennen. Die dafür meist verwandte Zentrifugation ist für GroBkulturen nach
Zeit- und,Energiebedarf zu aufwendig. Für eine technisch verwendbare, quan
titative Ausflockung fehlen ausreichende Kenntnisse über das wechselnde Schwebe
vermögen der Algen.
Die in den Kapiteln lIl-VII beschriebenen Arbeiten der letzten Jahre gehören zu
den genannten Fragestellungen: Untersuchungen über Kulturbedingungen,
Untersuchungen über das Verhalten der Algen in der GroBkultur und über ihre
Verunreinigungen (Krankheiten und Schädlinge) und Untersuchungen zur Kultur
handhabung, also zu biologisch-technischen Problemen. Das letzte Kapitel (VIII)
befaBt sich mit den - bei den verschiedenen Verfahren erreichbaren - Ausbeuten.
Weitere, ebeofalls in den letzten Jahren durchgeführte Untersuchungen über die
Zusammensetzung der Aigensubstanz, die Ausnutzbarkeit des Proteins und die
Abhängigkeit der Proteinausnutzung von der Aufarbeitung der Aigenrohsubstanz
werden gesondert publiziert. Ein Teil der an weiBen Ratten, Schweinen und
Menschen durchgeführten Fütterungs-und Bilanzversuche ist noch im Gange.
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Il. Bestimmungsmethoden
Die Zellzahl wurde mit Zählkammern (Thoma) bestimmt. - Die Extinktion der
Suspensionen wurde im Eppendorf-Photometer bei 436 nm, d = 0,S cm gegen
Wasser gemessen (s. S. 50). - Für die Bestimmung der Trockensubstanzausbeute
(s. S. 51) wurde Suspension aus der Kultur entnommen und zentrifugiert. Die
entnommene Menge richtet sich nach dem Zuwachs (s. S. 51), betrug jedoch
mindestens 10% des Gesamtvolumens. Von der Algenrohsubstanz wurden nach
Wägen und gründlichem Durchmischen zwei Proben von je 1 g entnommen und
in Porzellantiegeln bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Aus dem Trocken
substanzgewicht wurde die Trockensubstanzausbeute errechnet. (Alle weiteren
Bestimmungen werden bei den jeweiligen Untersuchungen abgehandelt.)
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lIL Kulturbedingungen
1. Kulturbehälter, Turbulenzerzeugung und CO -Zufuhr
2
a) Kulturbehälter
In Dortmund wurden die Untersuchungen in rechteckigen und runden Behältern
mit drei verschiedenen Typen von Rührsystemen durchgeführt. Die MaBe der
rechteckigen Kulturbehälter sind in Tab. 1 angegeben.
Tab. 1 Mafte der rechteckigen Kulturbehälter
Anzahl der Länge Breite Oberfläche Volumen
Behälter inm inm inm2 inm3
5 (G) 1,0 2,0 2,0 0,2
1 (G) 5,0 2,0 10,0 1,0
6 (F) 8,7 1,0 8,7 1,0
2 (F) 50,0 2,5 125,0 13,0
G = Gewächshaus, F = Freiland
Die Schichthöhe betrug 10-11,5 cm. Die Ränder der Behälter sind gemauert,
der Boden der Freilandbehälter ist nicht gemauert oder betoniert, sondern mit
Sand geglättet.
Zur Auskleidung der Kulturbehälter wurden folgende Follen verwandt: 1. Poly
vinylchlorid (Mipolam, Fa. Dynamit AG) 2. Polyäthylen (Suprathen, Fa. Kalle
u. Co. AG) 3. Polyisobutylen (Oppanol später Rhepanol, Fa. Badische Anilin
u. Sodafabrik).
Von einer gröBeren Reihe geprüfter Folien hatten sich diese drei als für unsere
Zwecke am günstigsten erwiesen. Verwandt wurden Dicken von 0,3 mm
(Mipolam), 0,2-0,4 mm (Suprathen) und 2 mm (Rhepanol). Je dünner eine Folie
war, urn so leichter wurde sie beschädigt und urn so zeitraubender waren die Flick
arbeiten. Folien ab 0,4 mm wurden nur durch starke mechanische Einwirkungen
zerrissen. Am besten bewährte sich während einjähriger Benutzung auf Bitumen
pappe aufgeklebte Rhepanol-Folie. Die Anschaffungs-und Verlegungskosten sind
jedoch 10 bis 15mal gröBer als bei Verwendung von Suprathenfolie. Es kann noch
nicht beurteilt werden, ob die Haltbarkeit der Rhepanolfolie so gut ist, daB sich
der hohe Preis rentiert.
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