Verbundvorhaben: Entwicklung einer innovativen aquatischen Wertschöpfungskette zur Produktion von C-Phycocyanin mittels qualitätsgesicherter Algenkultur (PhycoKult)

Abstract

Am Standort der Bioenergie Giesen GmbH wurde ein CO2-Nutzungskonzept und die Herstellung von NaHCO3 aus biogenem Abschlags-CO2 von der Biogasaufbereitung für die Biomasseproduktion von Arthrospira platensis über die Planung, den Bau und den Betrieb einer halbtechnischen NaHCO3-Anlage erfolgreich umgesetzt. Ein modifiziertes, preiswertes Folien-Photobioreaktor-System ermöglichte eine stabile Produktion von A. platensis mit hohen C-PC-Gehalten. Nachfolgende, großvolumige Produktionen in innenbeleuchteten IBC-Photobioreaktoren und einem Silo-Photobioreaktor lieferten wichtige Erkenntnisse und Ergebnisse für das Upscaling und den Betrieb von energieeffizienten Ganzjahressystemen. Die gesamte aquatische Wertschöpfungskette von der Vorkultivation bis zum Produktmuster wurde im Pilotmaßstab dargestellt.

Ein für den Standort angepasstes Downstreamverfahren wurde entwickelt und ein Vergleich der Kultivierungssysteme mit konventionellen open pond Systemen wurde durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass die Folienschlauch-Systeme dieselbe Effizienz aufwiesen, wie die offenen Becken. Allerdings besteht hier noch ein hoher Optimierungsgrad, der noch höhere Produktivitäten ermöglicht.

Weiterhin konnte ein Qualitätssicherungssystem für die Herstellung von C-PC haltiger Kosmetikprodukte erstellt werden, welches den gesamten Produktionsprozess betrachtet und nach den Regeln des Codex Alimentarius entwickelt wurde.

Zur Bewertung der C-Phycocyanin Extraktionseffizienz und zur Bestimmung der C-Phycocyanin Gehalte wurde eine auf Spektrophotometrie basierende Methodik zur C-PC-Analytik validiert. Auf dieser Grundlage wurden dann zwei verschiedene Verfahren zur Extraktion von C-Phycocyanin aus Arthrospira platensis entwickelt. Bei dem einen Verfahren handelte es sich um einen auf Ultraschallbehandlung basierenden Zellaufschluss, bei dem das eigentliche C-PC-Extrakt nach dem Zellaufschluss von den Zellresten getrennt wird, indem die Zellreste durch Zugabe von Chitosan ausgeflockt und anschließend durch Filtration von der flüssigen Phase abgetrennt werden. Das andere Verfahren basierte auf dem Aufschluss der Zellen mit Glasperlen und einer Calciumchlorid-Lösung als Extraktionsmittel. Beide Verfahren sind auf den halbindustriellen Maßstab skalierbar und erbrachten in Hinblick auf C-PC-Konzentration (bis 2,2 bzw. 5,1 mg/mL), Ausbeute (bis zu 15 bzw. 17 %) und Reinheit (2 bzw. 1,5) qualitativ hochwertige Extrakte.

Es wurden ferner Versuche zur Erhöhung der Lagerstabilität einerseits und der Erhöhung der Temperaturstabilität andererseits durchgeführt, in deren Verlauf Chemikalien und Pufferlösungen identifiziert wurden, mit denen das C-PC weiter stabilisiert werden kann. Später konnte dann ein innovatives Verfahren zur Mikroverkapselung des Phycocyanins etabliert werden, dass einerseits eine hohe Stabilität gewährleistet und andererseits eine interessante Grundlage für die lebensmitteltechnologische und kosmetische Produktentwicklung darstellt. In Kooperation mit einem Lohnhersteller aus der Kosmetikindustrie, konnte ein C-PC-haltiges Hautserum entwickelt werden.

Die Grundlage für einen effizienten Biodünger für Arthrospira platensis wurde entwickelt. Wichtiger Bestandteil dieser Formulierung ist selbst gewonnenes Struvit, ein auch kommerziell erhältliches Granulat aus der Phosphor-Rückgewinnung von Agrar-Restströmen, welches als Phosphor- und Stickstoff-Quelle genutzt werden kann. Zusätzlich wurde mit Salzlake aus der Wasseraufbereitung eine Salzquelle identifiziert, die auch die Mikronährstoffe im Medium ersetzen konnte.