Verbundvorhaben: Antivirale Substanzen und Pigmente; Teilvorhaben 1: Kultivierung; Teilvorhaben 2: Downstream

Abstract

Das Gesamtvorhaben konzentrierte sich auf die Entwicklung nachhaltiger und effizienter Prozesse zur Kultivierung von Arthrospira platensis sowie auf die Gewinnung von Phycocyanin (PC) und extrazellulären Polysacchariden (EPS). Dabei wurden zylindrische Glasreaktoren mit Wärmetauschern als optimale Kultivierungssysteme identifiziert. Unter Bedingungen von 180 μmol∙m⁻²∙s⁻¹ Lichtintensität und 35 °C wurden hohe Produktivitäten erzielt, unterstützt durch die Entwicklung eines Medium-Recycling-Systems, das eine dreifache Wiederverwendung ohne Produktivitätsverluste ermöglichte. Die Restbiomasse erwies sich als effizientes Substrat für die Biogasproduktion, wobei PC-reduzierte Biomasse bis zu 300 L Biogas/kg lieferte. Ein selbst konstruierter vertikaler Röhrenreaktor mit Airlift-Prinzip bestätigte im Technikumsmaßstab seine Eignung für stabile Langzeitkultivierungen und erreichte maximale PC- und EPS-Produktivitäten von 1,28 g∙L⁻¹∙d⁻¹ bzw. 0,25 g∙L⁻¹∙d⁻¹. Parallel dazu wurden innovative Verfahren zur Gewinnung der Wertstoffe entwickelt. Ein adaptives Prozessmodell, basierend auf Wetterdaten, optimierte die Erntesteuerung und erhöhte die Produktivität. Die PEF-Technologie (gepulste elektrische Felder) erwies sich als besonders energieeffizient und ermöglichte eine vollständige Freisetzung von PC bei hoher Produktqualität. Dafür war eine Feldstärke von 20 kV/cm und ein spezifischer Energieeintrag von 100 kJ/kg vorteilhaft. Die Behandlungstemperatur sollte nach Möglichkeit so hoch wie möglich, jedoch nicht über 45 °C gewählt werden. Dies verbesserte zum einen den Behandlungserfolg und verhinderte die Schädigung des temperatursensitiven Phycocyanins. Mithilfe von Daten, die mittels CFD-Simulationen gewonnen wurden, konnte gezeigt werden, dass sich wichtige Prozessparameter wie die mittlere elektrische Feldstärke oder die Inhomogenität des elektrischen Feldes gut mit einfachen Modellgleichungen beschreiben lassen. Die Anpassung der Kultivierungsmedien reduzierte den Ressourceneinsatz und erleichterte die PEF-Behandlung direkt im Medium. PEF-Extrakte zeigten eine hohe antioxidative Kapazität und unveränderte Proteinstruktur, wodurch sie besonders für funktionelle Lebensmittel geeignet sind. Die Ergebnisse der beiden Teilvorhaben unterstreichen die technische und wirtschaftliche Machbarkeit der nachhaltigen Produktion von A. platensis-basierten Wertstoffen. Die Kombination aus optimierten Kultivierungs- und Extraktionsverfahren maximiert sowohl die Ressourceneffizienz als auch die Produktqualität und legt eine solide Grundlage für industrielle Anwendungen.