Produkte aus Mikroalgen

Die Kieselalge Phaeodactylum tricornutum ist unter geeigneten Kultivierungsbedingungen in der Lage, große Mengen an mehrfach ungesättigten Fettsäuren, beispielsweise die Omega-3-Fettsäure 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. Ein ernährungsbedingter Mangel an EPA etwa wird in Zusammenhang mit einem erhöhten Risiko für Zivilisationskrankheiten wie Herzinfarkt und Schlaganfall gebracht. Die entzündungshemmende Wirkung von EPA wird bei Gelenkrheumatismus und Multipler Sklerose pharmazeutisch genutzt.

Im Rahmen des im Programm Bioökonomie Baden-Württemberg geförderten Projektes »Entwicklung von Zellaufschluss- und Extraktionsverfahren zur Kaskadennutzung von Algenbiomasse im Forschungsverbund Integrierte Nutzung von Mikroalgen für die Ernährung« 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.

Diatomeen (Kieselalgen) nutzen (Chryso-)Laminarin als Energie- und Kohlenstoffspeicher. Das Polysaccharid ist ein (1,3),(1,6)-b-D-Glucan, das für Anwendungen im Lebensmittel-, Tierfutter- und Agrarsektor eingesetzt werden kann. Laminarin kommt zudem in der Zellwand von vielen − auch pathogenen − Pilzen vor. Da der Kontakt mit Laminarin die Abwehrsysteme von Landpflanzen induziert, eignet sich das Polysaccharid als Pflanzenstärkungsmittel. In der Literatur ist beschrieben, dass ein Einsatz von Laminarin die Infektion mit Botrytis cinerea oder Plasmopara viticola in Weinreben um 55 Prozent bzw. um 75 Prozent reduzieren kann [1]. Laminarin wirkt auch bei Wirbeltieren immunmodulatorisch. Besonders das Immunsystem im Verdauungstrakt reagiert auf einen Kontakt mit Laminarin [2].

Im Projekt MIATEST wird die Anwendung von Laminarin als Biostimulanz im Weinbau untersucht, zusammen mit der Landesversuchsanstalt für Wein- und Obstbau Baden-Württemberg, und die Anwendung in der Ernährung an der Universität Hohenheim. Dazu untersucht das Fraunhofer IGB Laminarin-Produktionsstämme, entwickelt einen zweistufigen Produktionsprozess und stellt laminarinhaltige Algenbiomassen für Testzwecke her.

Laminarin ist ebenfalls Gegenstand im EU-geförderten BBI-Projekt MAGNIFICENT, in dem die Bereitstellung von Inhaltsstoffen aus Mikroalgen für Lebens- und Futtermittel sowie Kosmetik untersucht wird. Derzeit wird u. a. der Einsatz von Laminarin in der Jungfischaufzucht untersucht.

Literatur

1. Aziz, A. et al. (2003) Laminarin elicits defense responses in grapevine and induces protection against Botrytis cinerea and Plasmopara viticola. Molecular plant-microbe interactions : MPMI 16, 1118–1128
2. Stuyven E. et al. (2009) Effect of β-glucans on an ETEC infection in piglets. Spec. Issue 8th Int. Vet. Immunol. Symp. 128 (1–3), 60–66

Im Bereich Lebensmittel prädestiniert der Gehalt an Omega-3-Fettsäuren Algen vor allem als Alternative zu Fisch – eine angesichts der Überfischung der Weltmeere lohnende Option. Anwendungsmöglichkeiten und ernährungsphysiologische Parameter wurden für die Mikroalge Phaeodactylum tricornutum in einem Projekt zusammen mit dem Institut für Ernährungsmedizin der Universität Hohenheim in Stuttgart bereits untersucht.

So zeigten Analysen, dass getrocknete Mikroalgen neben einem Proteinanteil von fast 50 Prozent in der Trockenmasse auch nennenswerte Mengen der langkettigen Omega-3-Fettsäure Eicosapentaensäure, kurz EPA, aufweisen. Laut einer ersten Studie der Universität Hohenheim sind Mikroalgen geeignet, den täglichen Bedarf an Omega-3-Fettsäuren zu decken. Zudem enthalten sie wasserlösliche Ballaststoffe, die wichtig für die Darmgesundheit sind, sowie Vitamin E und Carotinoide.

Durch Anpassung der Kulturbedingungen im Photobioreaktor des Fraunhofer IGB kann die Zusammensetzung der Inhaltsstoffe gesteuert werden. Werden den Algen ausreichend Nährstoffe zugeführt, so produzieren sie besonders viel EPA. Wachsen die Algen unter Nährstofflimitierung, bilden sie mehr Ballaststoffe. 

Die Herstellung von Nahrungsmitteln aus Algen erfordert keine Ackerflächen und weniger Wasser. Dabei können die Einzeller unter kontrollierten Bedingungen in geschlossenen, vertikalen Photobioreaktoren kultiviert werden – unabhängig von saisonalen oder klimatischen Faktoren.

Schädlingsabwehrende Wirkstoffe aus Mikroalgen und Cyanobakterien eignen sich als ökologisch verträgliche Pflanzenschutzmittel auf biologischer Basis.

Für Anwendungen im ökologischen Anbau von Kohl oder im Bio-Weinbau haben wir am Fraunhofer IGB in abteilungsübergreifender Zusammenarbeit Prozesse zur Produktion von Mikroalgen mit Repellent- bzw. antifungischer Aktivität entwickelt.

Haematococcus pluvialis SAG 192.80 ist eine einzellige Süßwasseralge, die in einem zweistufigen Prozess bis zu fünf Prozent ihrer Biomasse das Ketocarotinoid Astaxanthin akkumuliert. Astaxanthin kann sowohl als Pigment in der Aquakultur (z. B. als roter Lachsfarbstoff) als auch auf Grund seiner starken antioxidativen Wirkung in Nahrungsergänzungsmitteln oder Kosmetikprodukten eingesetzt werden.

Im Herbst 2002 wurden im Freiland (Institutsgelände Stuttgart) im neu entwickelten FPA-Reaktor Biomassezuwachsraten bis zu 0,25 g TS l^-1 d^-1 bei Zellkonzentrationen von bis zu 2,5 g TS l^-1 erzielt. Dies sind die höchsten, bisher für Haematococcus pluvialis erzielten Werte ^2,3, zurückzuführen auf die gute Lichtverteilung im Fotobioreaktor. Die Bildung von Astaxanthin wird durch hohe Lichtintensitäten (direkte Sonne), Nährstoffmangel oder Induktoren wie Acetat und Kochsalz induziert. Werden diese Faktoren im Batch-Verfahren berücksichtigt, nimmt das Zellgewicht nochmals um den Faktor drei bis vier zu, gleichzeitig erreicht der intrazelluläre Astaxanthingehalt bis zu fünf Prozent des Zelltrockengewichtes.

Im Freiland wurden im FPA-Reaktor Biomassekonzentrationen von Haematococcus pluvialis von bis zu 10 g TS l^-1 erreicht. Mit dieser hohen Zelldichte ist eine wichtige Voraussetzung für die industrielle Astaxanthin-Produktion erfüllt.

Algen weisen je nach Wachstumsbedingungen einen hohen Protein-, Kohlenhydrat- oder Lipidgehalt auf. Schnell wachsende Algen haben einen hohen Proteingehalt, der alle proteinogenen Aminosäuren enthält. Bei Wachstumslimitierung durch Stickstoff- oder Phosphatmangel und gleichzeitigem CO2- und Lichtangebot bilden viele Algen jedoch Kohlenhydrate oder Lipide als Speicherstoffe.

Speicherlipide als Kraftstoff

Algen können dabei Lipidgehalte von bis zu 70 Prozent und Stärkegehalte von bis zu 60 Prozent erreichen. Speicherlipide sind vor allem Triacylglyceride mit den Hauptfettsäuren C16:0, C16:1 und C18:1, welche vorwiegend als Kraftstoff – entweder durch die Gewinnung des Öls oder nach Umesterung als Biodiesel – von Interesse sind.

Stärke zur Produktion von Kraftstoffen oder Basischemikalien

Stärke kann als Substrat für verschiedenste biotechnologische Prozesse wie die fermentative Ethanolherstellung zur Produktion von Kraftstoffen oder Basischemikalien genutzt werden. Für die Stärkeproduktion mit Mikroalgen wurde im IGB ein zweistufiger Prozess etabliert, ins Freiland übertragen und bis zur Pilotproduktion im kg-Maßstab weiterentwickelt.

Durch die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Ressourcen wird es für die Textilindustrie immer wichtiger, alternative Rohstoffe für die Herstellung von Fasern in Textilien zu identifizieren und zu entwickeln.

Im Forschungsprojekt AlgaeTex wurden verschiedene Polymere hergestellt, die zu einem möglichst hohen Anteil aus algenbasierten Fettsäuren bestehen sollen. Ziel war die Entwicklung von schmelzspinnbaren Polyestern, um einen breiten Einsatz in der Textilindustrie zu ermöglichen.

»Grüner« Wasserstoff (H₂), der mittels Elektrolyse von Wasser mit erneuerbaren Energien hergestellt wird, gilt als Schlüsselelement der Energiewende. Das Fraunhofer IGB geht in zwei aktuellen Projekten einen neuen Weg, um den klimaneutralen Energieträger und Industrierohstoff herzustellen: Mit biotechnologischen Verfahren, beispielsweise Mikroorganismen (Purpurbakterien) oder Mikroalgen, soll Biowasserstoff aus Reststoffströmen wie Altholz oder Spülabwässern erzeugt werden.

Im Projekt SmartBioH₂ wurde zur Wasserstoffherstellung mithilfe von Mikroalgen ein neuartiges Konzept gewählt, das auf der Direkten Photolyse basiert. Durch eine Immobilisierung der Algen und ein spezielles Reaktorsetup soll der Sauerstoff, der von den Algen als Nebenprodukt zum Wasserstoff produziert wird, effizient auf einen Partialdruck von unter 100 ppm im Reaktorgasvolumen abgeschieden werden können. Die kontinuierliche Entfernung des Sauerstoffs resp. der tiefe Sauerstoffpartialdruck im Reaktor ist für das Funktionieren des Prozesses entscheidend. Ist der Gehalt an Sauerstoff im System zu hoch, oxidieren die extrem empfindlichen Enzyme, welche für die Wasserstoffproduktion benötigt werden.

Nach dem Aufbau der Versuchsanlage im Labor konnten in Kurzzeitversuchen erste erfolgreiche Messungen von Wasserstoff gemacht werden. Das System ist jedoch noch nicht optimiert. Insbesondere das Verfahren zur Immobilisierung der Mikroalgen muss noch weiterentwickelt und optimiert werden. Das gewählte Konzept zur Wasserstoffherstellung mit Mikroalgen lässt sich gut hochskalieren und soll in einer geplanten Anlage im Technikumsmaßstab zur Anwendung kommen.

In einem zweiten Laboraufbau konnte auch die Abscheidung von Sauerstoff erfolgreich getestet werden, wobei eine bereits bekannte Methode zur Sauerstoffabscheidung zur Anwendung kam. Mit dem Aufbau war es schließlich möglich, den Sauerstoffpartialdruck innerhalb kurzer Zeit unter die für die Wasserstoffproduktion kritische Grenze zu bringen.