Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Mikroalgen sind eine bedeutende Quelle f\u00fcr High-Value-Produkte sowohl f\u00fcr den Pharmabereich als auch Food- und Feed-Bereich. Das Spektrum der interessanten Algeninhaltstoffe umfasst mehrfach un-ges\u00e4ttigte Fetts\u00e4uren wie die Omega-3-Fetts\u00e4uren Eicosapentaens\u00e4ure (EPA, C20:5, n-3) und Docosahexaens\u00e4ure (DHA, C22:5, n-3), Pigmente wie Carotinoide, Phycobiline und Phycoerythrin sowie Polysaccharide. Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines integrierten Prozesses zur Gewinnung von EPA-reichem Algen\u00f6l aus phototroph produzierten Algen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Produktion von EPA-haltigen Algen erfolgt in neu entwickelten Photobioreaktoren, sogenannten Flat-Panel-Airlift-Reaktoren (FPA-Reaktoren), die durch eine geringe Schichtdicke und gezielte Str\u00f6mungsf\u00fchrung im Reaktor \u00fcber statische Mischer eine verbesserte Lichtversorgung aller Algenzellen garantieren. Damit k\u00f6nnen die Algenkulturen auch bei hohen Zellkonzentrationen ausreichend mit Licht versorgt werden. Bisher wurde von der Subitec GmbH nur Phaeodactylum tricornutum als m\u00f6glicher EPA-Produzent unter photoautotrophen Bedingungen im Freiland kultiviert. F\u00fcr andere EPA-haltigen Algen ist die Prozesstechnik f\u00fcr die Freilandkultivierung zu entwickeln. In photoautotrophen Mikroalgen sind die langkettigen, mehrfachunges\u00e4ttigten Fetts\u00e4uren vor allem Bestandteil der Zellmembranen und werden nur bei einigen Mikroalgen am Ende der Wachstumsphase als Triacylglycerid (TAG) gespeichert. F\u00fcr die Gewinnung dieser membrangebundenen Lipide eignet sich die Extraktion mit \u00fcberkritischem CO2 besonders, da keine umweltsch\u00e4dlichen L\u00f6semittel verwendet werden und das Endprodukt und die extrahierte Biomasse garantiert frei von Resten an organischen L\u00f6sungsmitteln sind. Die Expertise f\u00fcr die Extraktion mit \u00fcberkritischem CO2 wird von der KD Pharma Bexbach GmbH eingebracht, die eine der welt-weit gr\u00f6\u00dften Anlagen dieser Art f\u00fcr die Gewinnung von EPA aus Fisch\u00f6l betreibt. Verschiedene Aufschlussverfahren f\u00fcr die Algenbiomasse sind daf\u00fcr zu entwickeln. Hierbei wird das IGVT durch seine en-ge Anbindung an das Fraunhofer Institut f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen – und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart mit Know-how und apparativer Ausstattung das Projekt unterst\u00fctzen. Insgesamt stellt dieses biotechnologische Verfahren ein nachhaltiges, ressourcenschonendes und umweltgerechtes Verfahren dar, die Gefahr der \u00dcberfischung w\u00fcrde vermieden, bei der Algenproduktion wird CO2 verbraucht und O2 gebildet und f\u00fcr das Extraktionsverfahren werden keine umweltsch\u00e4dlichen L\u00f6semittel verwendet.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Das Ziel des Projektes – die Entwicklung eines integrierten Prozesses zur Gewinnung von EPA aus phototroph kultivierten Mikroalgen mittels CO2-Extraktion – konnte dank der sich erg\u00e4nzenden Kompetenzen der Projektpartner erreicht werden: Von vier untersuchten Algenarten konnten drei im Pilotma\u00dfstab im Freiland kultiviert werden. Durch die w\u00e4hrend der im Laborma\u00dfstab durchgef\u00fchrten Untersuchungen zur Optimierung des Kultivierungsprozesses sowie aus den im Freiland gewonnenen Daten lassen sich erste Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen anstellen, die aufzeigen, dass zumindest f\u00fcr die Spezies Phaeodactylum tricornutum eine industrielle Produktion an einem geeigneten, sonnenreichen Standort unter Verwendung industrieller CO2-Quellen machbar ist.
\nEs konnten verschiedene Aufschluss- und Extraktionsverfahren f\u00fcr drei Algenarten untersucht werden. Die Kieselalge Phaeodactylum tricornutum zeigte bei dem Vergleich von Aufschluss- und Extraktionsversuchen die besten Ergebnisse. Ein Vorteil der Verwendung von Phaeodactylum als EPA-Quelle besteht darin, dass ein Aufschluss der Algenbiomasse nicht zwingend erfolgen muss: So konnte bei einer Etha-nolextraktion von feuchter Biomasse eine Ausbeute von bis zu 90 % erzielt werden. Die Extraktion von EPA-haltigen Galaktolipiden aus feuchter Biomasse stellt energetisch gesehen eine interessante Variante dar, jedoch ist ein gro\u00dfes Ethanol-zu-Biomasse-Verh\u00e4ltnis notwendig, und damit ist die Produktkonzentration, auch bei vollst\u00e4ndiger Extraktion, niedrig. Daher entschied man sich, weitere Versuche zur direkten Umesterung aus zuvor getrockneter Biomasse durchzuf\u00fchren, um die Produktkonzentration im Extrakt zu erh\u00f6hen. Hierbei wurde ein integrierter Prozess zur enzymatischen Umesterung und zur Extraktion mit scCO2 im Festbett vom IGVT untersucht, w\u00e4hrend KD-Pharma Versuche zur sauren Umesterung von getrockneter, nicht aufgeschlossener Phaeodactylum-Biomasse und anschlie\u00dfender Extraktion der Ethylester mit scCO2 durchf\u00fchrte.
\nInsgesamt ist zum jetzigen Zeitpunkt der saure Prozess aus energetischer Sicht sowohl als der wirt-schaftlichere als auch der \u00f6kologischere Prozess zu bewerten. Im Rahmen des Projekts erfolgte bisher f\u00fcr den enzymatischen Prozess nur die Untersuchung der Machbarkeit der Integration bez\u00fcglich der unterschiedlichen Versuchsparameter Druck, Temperatur, MGDG-Konzentration und Volumenstrom. Der integrierte Prozess wurde bisher jedoch nicht auf die Ethanolmengen hin optimiert. Aus der Bilanzierung (energetisch und \u00f6kologisch) ist ersichtlich, dass die Ethanolmenge, um den enzymatischen Prozess zuk\u00fcnftig verbessern zu k\u00f6nnen, reduziert werden muss. Folglich ist eine weitere Optimierung des CO2\/EtOH Verh\u00e4ltnisses w\u00e4hrend der integrierten Extraktion und Umesterung notwendig.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Ripplinger P. (2009).Produktion von Omega-3-EPA mittels Mikroalgen Vortrag im ChemBioTec-Slot auf der Biotechnika am 06.10.2009 um 17.00 Uhr
\nSchmid-Staiger U., Seibert A., (2009). Stoffliche und energetische Nutzung von Algenlipiden, Jahres-bericht 08\/09 Fraunhofer Institut f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik
\nSeibert A., Mathias J., Schmid-Staiger U., Hirth T., Tr\u00f6sch W., (2009).Process development for the production of Omega-3-eicosapentaenoic acid (EPA) as dietary supplement out of micro algae; Poster Green Talents Symposium BMBF, Berlin 05.09.09
\nSeibert A., Schmid-Staiger U., Tr\u00f6sch W., Hirth T. (2009) CO2-Killer und Rohstofflieferanten – Kultivierung und Nutzung von Mikroalgen CAV, 2\/2009, 36-37
\nSeibert A., Schmid-Staiger U., (2011) Gewinnung von EPA-Ethylester aus Mikroalgen mit \u00fcberkritischen Fluiden, Jahresbericht 2011 Fraunhofer Institut f\u00fcr Grenzfl\u00e4chen- und Bioverfahrenstechnik
\nSeibert A., Mathias J., Schmid-Staiger U., Hirth T., Tr\u00f6sch W. (2010). Process development for the production of Omega-3-eicosapentaenoic acid (EPA) as dietary supplement from micro algae; Poster Industrielle Nutzung nachwachsender Rohstoffe – Chemie, Biotechnologie, Verfahrenstechnik, Dechema, 20.01-21.01. 2010, Frankfurt
\nSeibert A., Kimyonsen D., Schmid-Staiger U., Hirth T., Tr\u00f6sch W.(2010).Process development for the production of Omega-3-eicosapentaenoic acid (EPA) as dietary supplement from micro algae; Poster 8th European Workshop Biotechnology of Microalgae, 7.06-10.06.2010, Nuthetal
\nSeibert A., Kimyonsen D., Unkelbach G., Schmid-Staiger U., Hirth T., Tr\u00f6sch W. (2010).Enzymatic production of EPA-ethylesters from microalgae with supercritical fluids; Poster
\n28. Dechema Jahrestagung, 21.09-23.09.2010, Aachen
\nSeibert A., Unkelbach G., Schmid-Staiger U., Hirth T., Tr\u00f6sch W. (2010). Enzymatic production of Eicosapentaenoic acid (EPA) ethyl esters from microalgae with supercritical fluids; Poster Green sol-vents Conference, 10.10-13.10.2010 Berchtesgaden
\nSeibert A., Unkelbach G., Knez Z., Schmid-Staiger U., Hirth T., Tr\u00f6sch W. (2011).Process integration of extraction and transesterification of omega-3-EPA ethyl esters from microalgae with supercritical fluids; Vortrag Jahrestreffen des Fachausschusses Hochdruckverfahrenstechnik, 10.03-11.03.2011 Maribor, Slowenien<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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