Zellaufschluss- und Extraktionsverfahren zur Kaskadennutzung von Algenbiomasse

Mikroalgen – Integrierte Nutzung für die Ernährung

Grundgedanke von Bioraffineriekonzepten ist die vollständige Verwertung von Biomasse durch Fraktionierung und die Gewinnung verschiedener Produkte. Mikroalgen können eine Vielzahl von Stoffen bilden, welche für den Ernährungssektor interessant sind. Abhängig von der eingesetzten Spezies und den Kultivierungsbedingungen bilden sie große Mengen an Fettsäuren als Triglyceride (bis zu 70 Prozent der Trockenmasse) oder Proteinen (bis zu 50 Prozent der Trockenmasse), darüber hinaus polare Membranlipide mit Omega-3-Fettsäuren (bis zu 7 Prozent der Trockenmasse) sowie verschiedene Carotinoide und Phytosterole. Diese sollen unter Beibehaltung ihrer technofunktionellen und ernährungsphysiologischen Eigenschaften in der Lebensmittelherstellung eingesetzt werden.

© Fraunhofer IGB

Schematische Darstellung der Polarität verschiedener Mikroalgeninhaltsstoffe und entsprechender Lösungsmittel.

Aufgrund der großen Bandbreite der Inhaltsstoffe und der unterschiedlichen Zellwandeigenschaften verschiedener Mikroalgenspezies ist eine gezielte Aufarbeitung der Biomasse notwendig, um die hochwertigen Nährstoffe aus Mikroalgen effektiv gewinnen zu können. Im Rahmen des Forschungsprogramms Bioökonomie Baden-Württemberg wird im Forschungsverbund »Mikroalgen – Integrierte Nutzung für die Ernährung« die möglichst vollständige Verwertung der verschiedenen Fraktionen, in Koppel- und Kaskadennutzung, angestrebt, um nachhaltige Prozesse für die Bioökonomie zu entwickeln.

 

Aufarbeitung von Algeninhaltstoffen

Für eine weitere Nutzung der Restbiomasse, insbesondere bei Kaskadennutzung, gelten besondere Anforderungen an die Aufarbeitung. Prinzipiell bestimmen der chemische Charakter und die Marktspezifikation, etwa der geforderte Reinheitsgrad des Produkts, die Aufarbeitungstechnik. Weitere Anforderungen sind die weitestgehende Vermeidung eines energieaufwendigen Trocknungsschritts sowie eine schonende Extraktion, die sowohl die Funktionalität erhält als auch die Gewinnung weiterer Zellkomponenten erlaubt.

Gemeinsam mit den Partnern des Forschungsverbunds wurden drei Mikroalgenstämme (Phaeodactylum tricornutum, Chlorella vulgaris und Nannochloropsis spec.) ausgewählt, die sich grundlegend in Größe, Zellwandaufbau und Biomassezusammensetzung unterscheiden. Durch die Kombination aufeinanderfolgender Extraktionsverfahren in unterschiedlicher Abfolge sollen aus der Mikroalgenbiomasse, neben hochpreisigen Bestandteilen wie den Carotinoiden, insbesondere die Hauptfraktionen bestehend aus Proteinen, polaren Membranlipiden mit Omega-3-Fettsäuren sowie unpolaren Triglyceriden sequenziell fraktioniert werden.

Ergebnisse

Mikroalgenextrakte, von links nach rechts: N. oceanica, P. tricornutum und C. vulgaris. Die unterschiedliche Färbung der Extrakte ist bedingt durch algenspezifische Carotinoide.

Getrocknetes Fucoxanthin, ein in der Lebensmittelindustrie gefragter natürlicher Farbstoff.
© Fraunhofer IGB

Getrocknetes Fucoxanthin, ein in der Lebensmittelindustrie gefragter natürlicher Farbstoff.

Fucoxanthin, ein in der Lebensmittelindustrie gefragter natürlicher Farbstoff.
© Fraunhofer IGB

Fucoxanthin

Neue Verfahren zur selektiven Extraktion

Zum Einsatz kam hier vor allem die als »Pressurized Liquid Extraction« bezeichnete Technik, die auch die Extraktion feuchter Biomasse erlaubt, sowie die Extraktion mittels überkritischer Fluide (Supercritical Fluids, SCF). Zur Erhöhung der Polarität überkritischer Fluide können Kosolventen wie Ethanol eingesetzt werden. Dies führt zu einer selektiven Extraktion polarer Lipide wie Eicosapentaensäure EPA; 20:5 ω-3. Das unterschiedliche Extraktionsverhalten ohne und mit Kosolvent wurde gezielt auch für die aufeinanderfolgende selektive Extraktion von unpolaren Lipiden wie Triglyceriden oder Carotinoiden und polaren Lipiden genutzt. Derzeit werden die Prozessparameter optimiert, mit dem Ziel Fraktionen zu gewinnen, die von den Forschungspartnern auf den Einsatz in Lebensmitteln untersucht werden. Nach Extraktion der lipophilen Wertstofffraktion sollen die Proteine aus der Restbiomasse abgetrennt werden, um sie den Projektpartnern des Forschungsverbundes für die Herstellung von Lebensmitteln zur Verfügung zu stellen. Die verbliebenen Reststoffe eignen sich für die Futtermittelproduktion.

 

Gewinnung von Eicosapentaensäure (EPA) und Fucoxanthin

Die Kieselalge Phaeodactylum tricornutum ist unter geeigneten Kultivierungsbedingungen in der Lage, große Mengen an mehrfach ungesättigten Fettsäuren, beispielsweise Eicosapentaensäure (EPA, 20:5 ω-3), sowie photosynthese-assoziierte Pigmente wie Fucoxanthin zu bilden. Beide Inhaltsstoffe besitzen verschiedene gesundheitsfördernde und antioxidative Eigenschaften, weshalb die Gewinnung von entsprechenden Extrakten für die Lebensmittel-, Futtermittel- sowie Kosmetikindustrie von großem Interesse ist.

Im Rahmen des Projektes wurde die Kieselalge P. tricornutum in Flachplatten-Airlift-Reaktoren (FPA-Reaktoren) im semi-kontinuierlichen Betrieb bei unterschiedlichen Lichtintensitäten kultiviert und der Einfluss der Lichtverfügbarkeit auf die Zusammensetzung der Biomasse hinsichtlich des EPA- und Fucoxanthingehalts untersucht. Dabei zeigte insbesondere der Fucoxanthingehalt eine signifikante Abhängigkeit von der relativen Lichtverfügbarkeit, das heißt dem Verhältnis von Lichteintrag (auf der Reaktoroberfläche) zu Gesamtbiomasse im Reaktor und Zeit (in µmol Photonen g-1 Biotrockenmasse s-1). In Verbindung mit einer optimierten und gesteuerten Nährstoffversorgung konnten im FPA-Reaktor Fucoxanthingehalte von über 2 Prozent (w/w) erreicht werden [1].

Sowohl EPA als auch Fucoxanthin konnten nach mechanischem Zellaufschluss mittels subkritischer Hochdruckextraktion durch Einsatz geeigneter organischer Lösemittel mit Ausbeuten von über 90 Prozent gewonnen werden. Die Extrakte wurden hinsichtlich ihrer ernährungsphysiologischen Eigenschaften am Institut für Ernährungswissenschaften der Universität Hohenheim untersucht und zeigen eine hohe antioxidative sowie antiinflammatorische Kapazität [2].

Ausblick und Angebot

Mit erfolgreichem Abschluss des Projekts steht eine Methodenmatrix für die Aufarbeitung von Algenbiomasse zur Verfügung, die auf Biomasse aus verschiedenen Algenspezies, mit jeweils unterschiedlicher stofflicher Zusammensetzung und mit unterschiedlichen Zielfraktionen, übertragen werden kann. Damit sind wir dem Ziel, Mikroalgen ganzheitlich für die Ernährung zu nutzen, als wichtigem Baustein der Bioökonomie, einen großen Schritt näher.

Mit den gewonnenen EPA- und Fucoxanthinextrakten stehen der Lebensmittel-, Futtermittel- sowie Kosmetikindustrie natürliche Extrakte mit gesundheitsfördernden Eigenschaften zur Verfügung, welche nun in entsprechende Produkte weiterverarbeitet werden können.

Gerne untersuchen wir für interessierte Firmen, wie Sie die Extrakte nutzen können oder stellen Mustermengen zur Verfügung.

 

Projektinformationen

Projekttitel

Teilprojekt: Entwicklung von Zellaufschluss- und Extraktionsverfahren zur Kaskadennutzung von Algenbiomasse im Forschungsverbund »Integrierte Nutzung von Mikroalgen für die Ernährung«

 

Projektlaufzeit

Januar 2015 – Dezember 2017

 

Projektpartner

  • Universität Stuttgart, Stuttgart
  • Universität Hohenheim, Stuttgart (Projektkoordinator)
  • Max-Rubner-Institut Bundesforschungsinstitut für Ernährung und Lebensmittel, Karlsruhe

 

Förderung

Das Projekt wird am Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP, dem Partnerinstitut des Fraunhofer IGB an der Universität Stuttgart, bearbeitet.

Wir danken der Baden-Württemberg-Stiftung und dem Ministerium für Wissenschaft und Kunst Baden-Württemberg für die Förderung des Projekts »Mikroalgen – Integrierte Nutzung für die Ernährung. Teilprojekt Entwicklung von Zellaufschluss- und Extraktionsverfahren zur Kaskadennutzung von Mikroalgenbiomasse« im Forschungsprogramm Bioökonomie Baden-Württemberg«, Förderkennzeichen 7533-10-5-93.

Literatur

  1. Derwenskus, F.; Hardtmann, M.; Frick, K.; Gille, A.; Schmid-Staiger, U.; Schließmann, U.; Hirth, T. (2017) Einfluss der relativen Lichtverfügbarkeit auf den EPA- und Fucoxanthingehalt von P. tricornutum bei semi-kontinuierlicher Kultivierung im FPA-Reaktor. DECHEMA 10. Bundesalgenstammtisch 2017, Merseburg
  2. Derwenskus, F.; Neumann, U.; Gille, A.; Schmid-Staiger, U.; El-Benna, J.; Schließmann, U.; Bischoff, S.C.; Hirth, T. (2017) Production of fucoxanthin and EPA with P. tricornutum-antioxidant extracts for food and cosmetic applications. AlgaEurope, 5.12.2017 – 7.12.2017, Berlin