NovAL

Als photosynthetisch aktive Organismen wandeln Mikroalgen das Treibhausgas CO2 mit Hilfe von Sonnenenergie in nährstoffreiche Biomasse um, die in lichtdurchlässigen Anlagen (Photobioreaktoren), unabhängig von landwirtschaftlichen Nutzflächen, ganzjährig hergestellt werden kann. Mikroalgen bilden viele wertvolle Inhaltsstoffe, wie mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFA), Vitamine, Aminosäuren, färbende Pigmente & Antioxidantien und Spurenelemente. Sie sind daher eine vielversprechende Quelle für die Produktion gesundheitsfördernder Nährstoffe für die Humanernährung. Bisher werden überwiegend Arthrospira sp. und Chlorella sp., die als Lebensmittel bereits zugelassen sind, als Nahrungs- oder Nahrungsergänzungsmittel genutzt.

Ziel des Verbundvorhabens NovAL war es, bisher nicht in der menschlichen Ernährung eingesetzte Mikroalgen unterschiedlicher taxonomischer Gruppen hinsichtlich ihrer Nährstoffzusammensetzung zu untersuchen und geeignete Spezies als nachhaltige Quelle für essentielle, gesundheitsfördernde Inhaltsstoffe in der Humanernährung (Nutraceuticals) zu etablieren.

Zur Erreichung der Projektziele erfolgte eine Zusammenarbeit der Verbundpartner gemäß dem Schema der Abbildung 1 in drei Komplexen:

• Kultivierung und Identifizierung neuer Spezies für die Humanernährung (Auswahl und Laborkultivierung durch die HSA; Charakterisierung der Inhaltsstoffe durch etablierte Methoden der FSU Jena, MLU Halle-Wittenberg, HSA Köthen; Optimierung der Kultivierung ausgewählter Spezies bis in den Pilotanlagenmaßstab durch die HSA)
• Optimierung und Bilanzierung der Technologien/Prozesse zur Mikroalgenkultivierung unter Berücksichtigung der Bewertung der Produktsicherheit (Analyse der Bioverfügbarkeit der Inhaltsstoffe selektierter Algenspezies durch die Uni Leipzig; Bewertung der Bioökonomie (Vergleich mit anderen Produktionssystemen durch die MLU Halle-Wittenberg, Datensammlung im Pilotanlagenmaßstab durch die HSA); Produktsicherheit (cytotoxische/mikrobiologische Unbedenklichkeit, HACCP-Konzept durch die Uni Leipzig in Zusammenarbeit mit der HSA)
• Überprüfung der Wirksamkeit, Bioverfügbarkeit und Effizienz der Mikroalgeninhaltsstoffe (Bereitstellung von Mikroalgenbiomasse durch die HSA zur Durchführung einer Humanstudie durch die FSU Jena und einer Mausstudie durch die MLU Halle-Wittenberg; Erfassung der Bioverfügbarkeit und Wirksamkeit der Inhaltsstoffe)

Folgende Teilaufgaben waren im Teilvorhaben der Hochschule Anhalt zu lösen:

•  Screening/Kultivierung ausgewählter Mikroalgenspezies (Labormaßstab)
• Analyse des Inhaltsstoffspektrums der Algenbiomasse: ungesättigte Fettsäuren (Fokus: Omega-3-Fettsäuren: EPA, DHA), Vitamine (D, B12), essentielle Aminosäuren & Proteingehalt, Carotinoide, Chlorophylle
• Optimierung der Kultivierungsbedingungen hinsichtlich Biomasseproduktion und Inhaltsstoffbildung für vorselektierte „Produktionsstämme“ (Labormaßstab)
• Scale-up in Pilotanlagenmaßstab, Prozessoptimierung und Etablierung eines geeigneten Downstream-Verfahrens (Separation, Zellaufschluss, Trocknung)
• Produktion von Algenbiomasse zur Durchführung von Maus- und Humanstudien

Screening und Kultivierung ausgewählter Mikroalgenarten für die Inhaltsstoffanalysen

• 16 Mikroalgenspezies wurden im Labormaßstab zur Wachstumsanalyse und für ein Inhaltsstoffscreening kultiviert. Es wurden sowohl Mikroalgenspezies aus kommerziellen Stammsammlungen als auch Eigenisolate der Köthener Algenstammsammlung (KASC) verwendet.
• Ein Vergleich der Biomasseproduktivitäten bis zum Erreichen der stationären Phase ergab, dass Mikroalgen ähnlicher Klassifizierung ähnliche Biomasseproduktivitäten aufwiesen. Am höchsten war der Biomassezuwachs mit 0,3 g/L/d bei Tetraselmis sp. KASC 32-02.

Analyse der Mikro- und Makronährstoffe

• Proteingehalt und Aminosäurespektrum
• Pigmente
• Fettsäurespektrum

Auswahl geeigneter Produktionsstämme und Optimierung der Kultivierungsbedingungen zur Maximierung der Biomasseproduktion und Inhaltsstoffbildung

• Durch Variation der Kultivierungsbedingungen im Labormaßstab konnten Biomasse- und Produktbildung gesteigert werden. Der Wechsel zum Setlik-Medium ergab bspw. eine 10-fache Steigerung der Biomasseproduktivität bei Chlorococcum sp.. Für die saline Nannochloropsis sp. konnte ein auch für den technischen Maßstab geeignetes Ersatzmedium entwickelt werden. Zudem wurden optimierte Kultivierungsregime für weitere Spezies im Labormaßstab etabliert (Eustigmatos sp. (Eigenisolat, EPA-Bildner), Pleurochrysis sp. (DHA/EPA-Bildner), Frischwasser Nannochloropsis sp. (EPA-Bildner)

Up-Scaling und stabile Langzeitkultivierung im Pilotanlagenmaßstab

• Drei der fünf für die Optimierung der Kultivierung ausgewählten Algen wurden anschließend in Tannenbaum-Photobioreaktoren (TBR) im Pilotanlagenmaßstab produziert. Hierzu erfolgte ein schrittweises Up-Scaling von den Laborreaktoren über einen 100 L TBR bis in die 1700 L TBR-Pilotanlage des Biosolarzentrums Köthen. Es gelang, die drei Spezies über einen Zeit-raum von drei Monaten bzw. einem Jahr stabil zu kultivieren.
• Entsprechend der Zielstellung, wurden die drei ausgewählten Spezies (Chlorococcum sp., Nannochloropsis sp. salin, Nannochloropsis sp. Frischwasser) im Pilotanlagenmaßstab kulti-viert, wobei eine ganzjährige Kultivierbarkeit der marinen Nannochloropsis sp. erzielt wurde. Während des Up-Scaling wurden umfangreiche Prozessdaten zur Umwelt- und Kostenbilanzierung generiert und den Projektpartnern für APVI zur Verfügung gestellt. Mithilfe der sensorgestützten Technik der TBR-Anlage konnten diese Daten ganzjährig kontinuierlich aufgezeichnet werden, anstatt wie ursprünglich geplant einmal pro Quartal.

Downstream-Verfahren zur Ernte und Konservierung von Mikroalgenbiomasse

• Das Ziel, ein Downstream-Verfahren (Kultivierung, Ernte, Zellaufschluss, Sprühtrocknung) zur Bereitstellung eines lagerfähigen Biomasseproduktes zu etablieren, wurde erreicht. Den Projektpartnern wurden aufbereitete Biomassen zur Verfügung gestellt: Chlorococcum sp. zur Untersuchung der Bioverfügbarkeit von Vitamin D in einer Mausstudie; saline Nannochloropsis sp. für eine Humanstudie unter Bewertung von Geschmack und Bekömmlichkeit durch die Probanden und Untersuchung des Effektes der Inhaltsstoffe (insb. EPA) auf die Blutwerte.