Projekt 35257/01

Entwicklung eines Plasma-Aufschlussverfahrens zur effizienten und schonenden Extraktion bioaktiver Inhaltsstoffe aus Mikroalgen

Projektdurchführung

IGV Institut für Getreideverarbeitung GmbH Geschäftsbereich IGV-PLANTTECH
Arthur-Scheunert-Allee 40/41
14558 Nuthetal OT Bergholz-Rehbrücke

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Biomasse von Mikroalgen enthält eine Vielzahl von Wirkstoffen mit funktionellen Eigenschaften, die von großem Interesse für die Pharmazie, Kosmetik und Lebensmittelindustrie sind. Von den über 30.000 Mikroalgenarten wer-den bislang nur zirka 20 Spezies zur Gewinnung von Biowertstoffen verwertet, obwohl der Markt für Extrakte/Wirk-stoffe aus Algen beständig wächst. Zurückzuführen ist dies darauf, dass sich Algen sehr effektiv funktionierende Mechanismen zum Selbstschutz zugelegt haben – extrem stabile, kompakte Zellwände. Damit können viele Spe-zies/Wirkstoffe für eine Produktentwicklung gegenwärtig nicht verwertet werden, weil resultierende Extrakte zu geringe Gehalte an den gewünschten Inhaltsstoffen aufweisen und Wirkstoffspektren sowie Produktausbeuten un-zureichend sind. Das Kernziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines innovativen, effektiven und umweltgerechten Aufschlussverfahrens mittels Plasma-Technologie zur wirkstoffschonenden Extraktion von bioaktiven, antioxidativ wirksamen Inhaltsstoffen aus Mikroalgenbiomasse. Das zu entwickelnde Verfahren soll durch den innovativen Ein-satz von Atmosphärendruckplasma zum Zellaufschluss die Wirtschaftlichkeit der Wirkstoffgewinnung signifikant er-höhen, sowie neue Wirkstoffspektren aus Algen erschließen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Mikroalgenspezies wurde im Verlauf der Projektbearbeitung vom 1 Liter bis zum 1500 Liter-Maßstab kultiviert und die gewonnene Biomasse bezüglich ihrer Zusammensetzung analysiert. Beim INP wurden mit dieser Biomasse Versuche zur Entwicklung einer effizienten Aufschlusstechnologie auf Basis von Atmosphärendruckplasma durchge-führt. Die Suspensionen der aufgeschlossenen Mikroalgenbiomasse wurden im IGV aufgearbeitet und die Effizienz des Plasmaaufschlusses über die Extrakt-Trockenmasse und Leitsubstanzen im Extrakt bewertet. Im Rahmen des Projektes war es möglich, ein 1-Liter Modul, sowie ein 5-Liter Modul zum Plasmaaufschluss der Modellalge erfolg-reich zu entwickeln. Durch Bauteil- und Parametervariationen konnte ein System entwickelt werden, welches für den industriellen Einsatz bei einem niedrigen Energieeintrag geeignet ist.


Ergebnisse und Diskussion

Die Mikroalgenspezies wurde im Verlauf der Projektbearbeitung vom 1 Liter bis zum 1500 Liter-Maßstab kultiviert und die gewonnene Biomasse bezüglich ihrer Zusammensetzung analysiert. Beim INP wurden mit dieser Biomasse Versuche zur Entwicklung einer effizienten Aufschlusstechnologie auf Basis von Atmosphärendruckplasma durchge-führt. Die Suspensionen der aufgeschlossenen Mikroalgenbiomasse wurden im IGV aufgearbeitet und die Effizienz des Plasmaaufschlusses über die Extrakt-Trockenmasse und Leitsubstanzen im Extrakt bewertet. Im Rahmen des Projektes war es möglich, ein 1-Liter Modul, sowie ein 5-Liter Modul zum Plasmaaufschluss der Modellalge erfolg-reich zu entwickeln. Durch Bauteil- und Parametervariationen konnte ein System entwickelt werden, welches für den industriellen Einsatz bei einem niedrigen Energieeintrag geeignet ist.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Zielstellung und Projektinhalte sind auf der IGV Website veröffentlicht worden. Unter Berücksichtigung der Geheim-haltungsvereinbarung ist geplant, Teile der Ergebnisse im Oktober 2022 auf dem 4th World Congress on Electropo-ration and Pulsed Electric Fields in Biology, Medicine, and Food & Environmental Technologies in Kopenhagen vor-zustellen. Dessen Stattfinden ist jedoch stark vom derzeitigen globalen Pandemiegeschehen abhängig, so dass durchaus die Möglichkeit besteht, dass der Kongress auf nächstes Jahr verschoben werden muss und damit die Prä-sentation des Projektes.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit einer Publikation, vor allem im Hinblick auf das Extraktergebnis, dessen Analyse durch das IGV detailliert durchgeführt wird. Hier ließen sich die analytischen Ergebnisse mit den technisch variierten Parametern gut korrelieren und der Fachwelt zur Verfügung zu stellen.
In der Fachzeitschrift KOSMETIK International 06/2021 wurde im Artikel „Algen-Wunderwaffen“ über das Projekt-vorhaben berichtet.
Aus dem „Zufallsbefund“ Phycocyanin konnte seitens des INPs eine Publikation zur Grundlagenforschung in einem Special Issue des Microorganisms-Journals (impact factor 4.167) dieses Manuskript publiziert werden: Sommer, M. C., Balazinski, M., Rataj, R., Wenske, S., Kolb, J. F., & Zocher, K. (2021). Assessment of Phycocyanin Extraction from Cyanidium caldarium by Spark Discharges, Compared to Freeze-Thaw Cycles, Sonication, and Pulsed Electric Fields. Microorganisms, 9(7), 1452


Fazit

Die Arbeiten erfolgten im Berichtszeitraum inhaltlich entsprechend der im Projektantrag bestätigten Arbeitspakete. Die Meilensteine des Projektes wurden inhaltlich voll erfüllt und termingemäß erreicht.
Durch Integration der Plasmatechnologie im Herstellungsverfahren des Markenproduktes wird eine deutliche Stei-gerung im Extraktionsergebnis erreicht. Das zeigt sich sowohl in einer Erhöhung der Extraktausbeute (Trockenmasse) als auch in der Optimierung der Gehalte an bioaktiven Leitsubstanzen.
Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass eine Skalierung des Systems möglich ist, sowie eine Steigerung der Extraktausbeuten, auch unter ökonomischen Gesichtspunkten, möglich ist. Das Aufschlusssystem wurde so konzi-piert, dass eine Erweiterung um weitere Module nicht nur möglich ist, sondern auch mit einer Energieversorgung
ausgestattet wurde, die kostengünstig erweitert werden kann. Der Energieeintrag in das System steigt mit zuneh-menden Behandlungsvolumen nur marginal an.
Die bislang erzielten Erkenntnisse bilden die Basis für weiterführende Projektideen. So ist bereits geplant, das neue Plasma basierte Aufschlussverfahren in einem Forschungsprojekt zur Gewinnung eines Vitamin B12 haltigen Kaltex-traktes aus der Mikroalge Chlorella vulgaris einzusetzen, zu testen bzw. auch weiter zu entwickeln. Ebenso hat sich gezeigt, dass die Ausbeute an antimikrobiell wirksamen Polysacchariden aus Porphyridium cruentum durch das Plas-maverfahren deutlich gesteigert werden konnte. Auch hier bietet sich weitere Untersuchungen im Rahmen eines Projektes an und wurde bereits zwischen den beiden Projektpartnern vereinbart.
Coronabedingt fanden Projekttreffen nicht vor Ort, sondern als Onlinemeetings statt. Die Zusammenarbeit zwischen den Partnern kann als sehr erfolgreich eingeschätzt werden.