Die biotechnologische Produktion von Wertstoffen durch Mikroorganismen wird üblicherweise durch die Kultivierung der Zellen in Suspensionskultur in einem geeigneten flüssigen Medium erreicht. Der Hauptteil dieser Organismen weist jedoch ein oberflächenassoziiertes Wachstum in ihren natürlichen Lebensräumen auf. Die Verwendung solcher Biofilme stellt erhebliche Herausforderungen dar, z.B. bei der Kontrolle des pH-Wertes, der Nährstoffversorgung und dem Wärme-/Massetransfer. Die Verwendung von Biofilmen könnte aber auch neuartige und innovative Produktionsprozesse ermöglichen, die sich mit der Robustheit und Stärke des eingesetzten Biokatalysators befassen, z.B. wenn im Prozess variable Bedingungen auftreten können oder ein Ausgangsmaterial (Substrat) in seiner Zusammensetzung verändert wird. Neben der Robustheit eines Biofilms ermöglicht die hohe Dichte des immobilisierten Biokatalysators eine einfache Trennung von Katalysator und extrazellulärem Produkt, während intrazelluläre Zielverbindungen in konzentrierter Form auftreten und somit der Aufwand für die Weiterverarbeitung drastisch reduziert werden kann. Während phototrophe Organismen ein interessantes Spektrum an Metaboliten aufweisen, das von Biokraftstoffen bis hin zu biologisch aktiven Verbindungen reicht, schränkt die geringe Zelldichte der phototrophen Suspensionskulturen ihre Anwendung für Produktionsprozesse immer noch ein. Der Review konzentriert sich auf pro- und eukaryotische Mikroalgen mit der Herstellung innovativer Verbindungen und beleuchtet die Anforderungen an deren Kultivierung als phototrophe Biofilme, d.h. Aufbau und Betrieb von Biofilmreaktoren sowie Modellierung des phototrophen Wachstums.

D. Strieth, R. Ulber, K. Muffler; Application of phototrophic biofilms: From fundamentals to Processes; Bioprocess and Biosystems Engineering 41 (2018) 295–312; https://doi.org/10.1007/s00449-017-1870-3