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Optimizing lipid production and in-situ extraction in biofilm immobilized microalgae

Applicant Studer Michael Hans-Peter
Number 198750
Funding scheme Sinergia
Research institution Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften HAFL Berner Fachhochschule BFH
Institution of higher education Berne University of Applied Sciences - BFH
Main discipline Interdisciplinary
Start/End 01.06.2021 - 31.05.2025
Approved amount 2'303'949.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Interdisciplinary
Electrical Engineering
Experimental Microbiology
Molecular Biology

Keywords (9)

hydrogel; mixotrophic growth; microalgae; CO2; membrane; microbial consortia; fermentation; Pulsed electric field; biofilm

Lay Summary (German)

Lead
Flugzeug-Biotreibstoffe werden heute aus Pflanzenölen hergestellt. Dies ist sowohl ethisch wie auch ökologisch problematisch, da zu einem grossen Teil Palmöl oder andere Speiseöle als Rohstoffe eingesetzt werden. Mikroalgenlipide sind eine vielversprechende Alternative. Diese können heute aber nicht ökonomisch hergestellt werden.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Bei der Kultivierung von Mikroalgen auf Licht und CO2 als Kohlenstoffquelle können nur geringe Lipidproduktionsraten erreicht werden, was hohe Kosten und Energieaufwendungen für die Ernte und Weiterverarbeitung zur Folge hat. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines Prozesskonzepts basierend auf immobilisierten Mikroalgen, das zur Lösung dieser Herausforderungen beiträgt. Im Detail werden wir (i) eine ‘Kinderstube’ für Algen schaffen, um in demselben Reaktor gleichzeitig Algen zu kultivieren und Lipide zu akkumulieren. Die Wachstumsbedingungen für die Mikroalgen (ii) durch optimierte Licht- und (iii) Kohlenstoffeintragung verbessern, um höhere Produktionsraten zu erreichen und (iv) eine Methode zur Lipidextraktion aus den immobilisierten Algen direkt im Bioreaktor entwickeln.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Unsere Entwicklungen und Untersuchungen werden dazu beitragen das Verständnis des immobilisierten Wachstums von Mikroalgen voranzubringen, dadurch die Produktion von Mikroalgenlipiden ökonomischer und deren industrielle Umsetzung wahrscheinlicher zu machen. Durch die Herstellung eines Flugzeug Biotreibstoffs aus CO2 und Sonnenlicht wird ein wichtiger Beitrag zur Steigerung der Nachhaltigkeit der Luftfahrt geleistet.

Direct link to Lay Summary Last update: 02.06.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Abstract

Microalgal lipids are amongst the most promising feedstocks for renewable and sustainable aviation fuel synthesis, however mass production is not yet commercially viable and is still some way from being carbon neutral. Low cell densities in phototrophic microalgae cultivation on CO2 as carbon source lead to low lipid productivities and high costs and energy expenditures for harvesting and downstream processing. The overarching goal of this project is to develop a process concept that tackles these challenges from several points of action and includes the following prospects: (i) The immobilization of microalgal cells in a biofilm to omit harvesting of microalgal biomass from low density suspensions; (ii) The optimization of the light environment of the culture; (iii) The creation of a nitrogen gradient in the biofilm to enable biomass production in the nitrogen rich zone and simultaneous lipid accumulation in the nitrogen depleted zone; (iv) The application of pulsed electric field (PEF) treatment directly in the biofilm to permit online extraction of lipids; and (v) The engineering of the microalga to facilitate cellobiose utilization and co-culturing with a cellulolytic fungus to enable the carbon efficient use of low-cost lignocellulosic biomass as additional substrate. We aim to investigate the feasibility of these approaches and at the same time to gain an in depth understanding of the underlying molecular processes in the different biofilm cultivations. To do so, groups with complementary expertise in novel approaches to microalgal cultivation, process engineering and downstream processing will work closely together. Silvia Vignolini, an expert in optics and light delivery in algal biophotoreactors will interact with the project collaborator, Alison Smith, who provides expertise in microalgae molecular biology and biochemistry, to perform fundamental investigations of the molecular processes in the different biofilm cultivations using fluorescent reporter microalgal strains in combination with advanced imaging techniques, complemented by RNAseq analysis. Furthermore, they will engineer Chlamydomonas reinhardtii to be capable of using cellobiose and glucose as carbon source to enable the mixotrophic co-cultivation experiments. Michael Studer, an expert in process engineering of biofilms, will develop simple biofilm reactors to be used by the project partners as well as a fully controlled version that allows amongst others for the targeted creation of a nitrogen gradient by feeding NH3 through a membrane that also serves as biofilm support structure. He will characterize the influence of process specific parameters such as the CO2 mass transfer capacity and the illumination intensity on the cultivation performance in all three trophic modes. Alexander Mathys, an expert in PEF treatments, will oversee the development, optimization and characterization of in-.situ lipid extraction processes of biofilm immobilized cells. The research conducted in this project delivers important contributions to the individual fields and might together enable an intensified microalgal exploitation to fully harness the economic, ecological and social potential of these powerful biocatalysts in the fuels, feed, food, and health industries.
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