Entwicklung und Bewertung eines Verfahrens zur Herstellung von Fucoxanthin und Eicosapentaensäure mit Phaeodactylum tricornutum

Abstract

Eicosapentaensäure (EPA), eine essentielle mehrfach ungesättigte Omega-3 Fettsäure, sowie Fucoxanthin, ein sauerstoffhaltiges Carotinoid, besitzen eine Vielzahl gesundheitsfördernder Eigenschaften. Daher finden sie als funktionelle Inhaltsstoffe in vielen Nahrungsmitteln und Kosmetikprodukten Verwendung. Eine vielversprechende Alternative zu den bisher industriell eingesetzten Verfahren zur Gewinnung dieser Wertstoffe aus verschiedenen Organismen - Seefische für EPA und mehrzellige Algen für Fucoxanthin - bietet die simultane Herstellung beider Wertstoffe mit einzelligen Diatomeen. Diese sind durch Photosynthese in der Lage sowohl EPA als auch Fucoxanthin in erheblichen Mengen ausgehend von Licht und Kohlenstoffdioxid zu synthetisieren. Die Herstellung beider Stoffe in industriell genutzten Photobioreaktoren scheitert derzeit jedoch an fehlenden wissenschaftlichen Daten zu geeigneten Produktionsstämmen sowie zur Abhängigkeit des biomassespezifischen Wertstoffgehaltes der Stämme von den zugrundeliegenden Kultivierungsbedingungen. Darüber hinaus mangelt es an skalierbaren Verfahren zur anschließenden Extraktion sowie Separation beider Stoffe aus der entsprechenden Algenbiomasse. Etablierte Verfahren, z.B. zur Extraktion von Lipiden aus Grünalgen, sind wegen der spezies-spezifischen Unterschiede in den vorliegenden Lipidklassen nicht ohne grundlegende Anpassungen auf Diatomeen übertragbar. Derzeit existieren daher weder integrierte Verfahren zur Herstellung von EPA und Fucoxanthin mit Diatomeen, noch existieren ökonomische Daten, welche die Bewertung eines solchen Herstellungsverfahrens ermöglichen würden. Folglich konnten bisher noch keine Herstellkosten ermittelt werden, so dass auch die wesentlichen Kostentreiber für einen zukünftigen Produktionsprozess nicht bekannt sind. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, die genannten Wissenslücken zu schließen und ein integriertes Verfahren zur simultanen Herstellung beider Produkte mit Diatomeen in einem Photobioreaktor zu entwickeln sowie zu bewerten. Hierfür wurde zunächst das Wachstumsverhalten und der biomassespezifische Wertstoffgehalt potentieller Produktionsstämme unter definierten Kultivierungsbedingungen in einem Membranphotobioreaktor analysiert sowie die Kultivierbarkeit der ausgewählten Stämme in einem skalierbaren Flachplatten-Airlift-Photobioreaktor (FPA-PBR) untersucht. Unter zuvor optimierten Kultivierungsbedingungen konnte in einem Repeated-Fed-Batch-Prozess im FPA-PBR für den ausgewählten Stamm Phaeodactylum tricornutum UTEX 640 erstmals gezeigt werden, dass sich bereits auf zellulärer Ebene beschriebene Adaptionsmechanismen von Diatomeen anunterschiedliche Lichtverhältnisse eignen, um den biomassespezifischen Fucoxanthingehalt gezielt auf bis zu 20,5 mg g-1 zu steigern. Der EPA-Gehalt blieb hingegen nahezu konstant, so dass beide Wertstoffe ohne Einschränkungen simultan erzeugt werden können. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse, dass im FPA-PBR in Abhängigkeit von der Lichtverfügbarkeit eine volumetrische Fucoxanthinproduktivität von bis zu 22,4 ± 7,6 mg L-1 d-1 erreicht werden kann. Dies stellt die bisher höchste in einem Photobioreaktor erreichte volumetrische Fucoxanthinproduktivität für Mikroalgen dar. Die Gewinnung der beiden Wertstoffe aus der erzeugten P. tricornutum-Biomasse erfolgte mittels Hochdruckflüssigextraktion. Dabei wurden organische Lösungsmittel unter Berücksichtigung legislativer Vorgaben ausgewählt und hinsichtlich der Extraktionsausbeute und der Produktselektivität verglichen. In Abhängigkeit von der jeweiligen Polarität der Lösungsmittel gelang es, beide Produkte in einem einzigen Extraktionsschritt nahezu vollständig als Lipidfraktion zu gewinnen. Dabei konnten die Extraktionstemperatur und die Verweilzeit aufgrund der thermischen Instabilität des Fucoxanthins als kritische Prozessparameter identifiziert werden. Ausgehend von der extrahierten Lipidfraktion wurde ein neuartiges synergetisches Separationsverfahren entwickelt, welches eine einfache Trennung des Fucoxanthins von den enthaltenen Fettsäuren mittels Fällung und Filtration ermöglicht. Das Fucoxanthin konnte dadurch auf bis zu 97 %w/w aufgereinigt werden. Durch eine Skalierung des Extraktions- und Fällungsverfahrens als „Proof-of-Concept“ vom Milliliter- in den Liter-Maßstab war es nachfolgend möglich, ausreichend Probenmaterial für Untersuchungen der funktionellen und ernährungsphysiologischen Eigenschaften der Lipidextrakte und des aufgereinigten Fucoxanthins herzustellen. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse und Daten bilden eine erste Grundlage für die zukünftige Zulassung beider Wertstoffe aus Diatomeen als „Novel Food“. Auf Basis der neuen und optimierten Teilverfahren gelang es, ein vollständiges Herstellungsverfahren für Fucoxanthin und EPA mit Diatomeen zu entwickeln. Folglich konnten erstmals ökonomische Aspekte anhand definierter Produktionsszenarien im Pilot- und Industriemaßstab untersucht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere der Energieeintrag für die artifizielle Beleuchtung mit 43 bis 50 % der operativen Kosten einen wesentlichen Kostentreiber im Gesamtprozess darstellt. Demzufolge wirken sich die Stromkosten und damit auch der Standort der Anlage entscheidend auf die Produktionskosten aus. Es zeigte sich des Weiteren, dass eine Kostenreduktion durch eine Vergrößerung der Produktionsanlage aufgrund der modularen Bauweise der FPA-PBR nur begrenzt möglich ist und die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses in viel höherem Maße vom Fucoxanthin als vom EPA bestimmt wird.