Projekt 13224/01

Förderschwerpunkt-Biotechnologie: ChemBioTec: Integrierter Prozess zur Produktion von Omega-3-EPA mittels Mikroalgen im Photobioreaktor, Entwicklung von Aufschluss- und Extraktionsverfahren

Projektträger

Subitec GmbH
Julius-Hölder-Str. 36
70597 Stuttgart
Telefon: 0711-970-4210

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Mikroalgen sind eine bedeutende Quelle für High-Value-Produkte sowohl für den Pharmabereich als auch Food- und Feed-Bereich. Das Spektrum der interessanten Algeninhaltstoffe umfasst mehrfach un-gesättigte Fettsäuren wie die Omega-3-Fettsäuren Eicosapentaensäure (EPA, C20:5, n-3) und Docosahexaensäure (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 Algenöl aus phototroph produzierten Algen.


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 Strömungsführung im Reaktor über statische Mischer eine verbesserte Lichtversorgung aller Algenzellen garantieren. Damit können die Algenkulturen auch bei hohen Zellkonzentrationen ausreichend mit Licht versorgt werden. Bisher wurde von der Subitec GmbH nur Phaeodactylum tricornutum als möglicher EPA-Produzent unter photoautotrophen Bedingungen im Freiland kultiviert. Für andere EPA-haltigen Algen ist die Prozesstechnik für die Freilandkultivierung zu entwickeln. In photoautotrophen Mikroalgen sind die langkettigen, mehrfachungesättigten Fettsäuren vor allem Bestandteil der Zellmembranen und werden nur bei einigen Mikroalgen am Ende der Wachstumsphase als Triacylglycerid (TAG) gespeichert. Für die Gewinnung dieser membrangebundenen Lipide eignet sich die Extraktion mit überkritischem CO2 besonders, da keine umweltschädlichen Lösemittel verwendet werden und das Endprodukt und die extrahierte Biomasse garantiert frei von Resten an organischen Lösungsmitteln sind. Die Expertise für die Extraktion mit überkritischem CO2 wird von der KD Pharma Bexbach GmbH eingebracht, die eine der welt-weit größten Anlagen dieser Art für die Gewinnung von EPA aus Fischöl betreibt. Verschiedene Aufschlussverfahren für die Algenbiomasse sind dafür zu entwickeln. Hierbei wird das IGVT durch seine en-ge Anbindung an das Fraunhofer Institut für Grenzflächen - und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart mit Know-how und apparativer Ausstattung das Projekt unterstützen. Insgesamt stellt dieses biotechnologische Verfahren ein nachhaltiges, ressourcenschonendes und umweltgerechtes Verfahren dar, die Gefahr der Überfischung würde vermieden, bei der Algenproduktion wird CO2 verbraucht und O2 gebildet und für das Extraktionsverfahren werden keine umweltschädlichen Lösemittel verwendet.


Ergebnisse und Diskussion

Das Ziel des Projektes - die Entwicklung eines integrierten Prozesses zur Gewinnung von EPA aus phototroph kultivierten Mikroalgen mittels CO2-Extraktion - konnte dank der sich ergänzenden Kompetenzen der Projektpartner erreicht werden: Von vier untersuchten Algenarten konnten drei im Pilotmaßstab im Freiland kultiviert werden. Durch die während der im Labormaßstab durchgeführten Untersuchungen zur Optimierung des Kultivierungsprozesses sowie aus den im Freiland gewonnenen Daten lassen sich erste Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen anstellen, die aufzeigen, dass zumindest für die Spezies Phaeodactylum tricornutum eine industrielle Produktion an einem geeigneten, sonnenreichen Standort unter Verwendung industrieller CO2-Quellen machbar ist.
Es konnten verschiedene Aufschluss- und Extraktionsverfahren für 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 großes Ethanol-zu-Biomasse-Verhältnis notwendig, und damit ist die Produktkonzentration, auch bei vollständiger Extraktion, niedrig. Daher entschied man sich, weitere Versuche zur direkten Umesterung aus zuvor getrockneter Biomasse durchzuführen, um die Produktkonzentration im Extrakt zu erhöhen. Hierbei wurde ein integrierter Prozess zur enzymatischen Umesterung und zur Extraktion mit scCO2 im Festbett vom IGVT untersucht, während KD-Pharma Versuche zur sauren Umesterung von getrockneter, nicht aufgeschlossener Phaeodactylum-Biomasse und anschließender Extraktion der Ethylester mit scCO2 durchführte.
Insgesamt ist zum jetzigen Zeitpunkt der saure Prozess aus energetischer Sicht sowohl als der wirt-schaftlichere als auch der ökologischere Prozess zu bewerten. Im Rahmen des Projekts erfolgte bisher für den enzymatischen Prozess nur die Untersuchung der Machbarkeit der Integration bezüglich 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 ökologisch) ist ersichtlich, dass die Ethanolmenge, um den enzymatischen Prozess zukünftig verbessern zu können, reduziert werden muss. Folglich ist eine weitere Optimierung des CO2/EtOH Verhältnisses während der integrierten Extraktion und Umesterung notwendig.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

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
Schmid-Staiger U., Seibert A., (2009). Stoffliche und energetische Nutzung von Algenlipiden, Jahres-bericht 08/09 Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik
Seibert A., Mathias J., Schmid-Staiger U., Hirth T., Trösch 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
Seibert A., Schmid-Staiger U., Trösch W., Hirth T. (2009) CO2-Killer und Rohstofflieferanten - Kultivierung und Nutzung von Mikroalgen CAV, 2/2009, 36-37
Seibert A., Schmid-Staiger U., (2011) Gewinnung von EPA-Ethylester aus Mikroalgen mit überkritischen Fluiden, Jahresbericht 2011 Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik
Seibert A., Mathias J., Schmid-Staiger U., Hirth T., Trösch 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
Seibert A., Kimyonsen D., Schmid-Staiger U., Hirth T., Trösch 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
Seibert A., Kimyonsen D., Unkelbach G., Schmid-Staiger U., Hirth T., Trösch W. (2010).Enzymatic production of EPA-ethylesters from microalgae with supercritical fluids; Poster
28. Dechema Jahrestagung, 21.09-23.09.2010, Aachen
Seibert A., Unkelbach G., Schmid-Staiger U., Hirth T., Trösch 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
Seibert A., Unkelbach G., Knez Z., Schmid-Staiger U., Hirth T., Trösch 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