Neue Lösungen tragen zum Wachstum der Mikroalgenindustrie bei

Mikroalgen sind eine erneuerbare Ressource mit großem Potential, welche die nachhaltige Entwicklung der aufstrebenden blauen Bioökonomie Europas fördern kann. Die Mikroalgenproduktion wächst schnell, obwohl sie derzeit auf wenige kleine Industrien wie die Futtermittel-, Ernährungs- und Kosmetikbranche beschränkt ist.

Industrielle Technologien

Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Diese Expansion wird durch die Kommerzialisierung hochwertiger Verbindungen vorangetrieben. Innovationen, die auf neuen molekularen Zielen und Bioraffinerietechniken basieren, schaffen neue Märkte. Trotz des technologischen und biologischen Fortschritts bleibt die Schaffung einer wirtschaftlich tragfähigen und nachhaltigen Methode zum Anbau großer Mengen von Mikroalgenbiomasse und deren Umwandlung in kommerziell erfolgreiche Produkte eine bedeutende Herausforderung. Das EU-finanzierte Projekt ABACUS hat dieses Problem gelöst und innovative technische Lösungen entwickelt, um die Zuverlässigkeit und Rentabilität des Mikroalgensektors zu verbessern. „Die Initiative konzentrierte sich auf Metaboliten für hochwertige Märkte, von Algenterpenen für Duftstoffe bis hin zu langkettigen Terpenen (Carotinoide) für Nutrazeutika und Kosmetika“, erklärt der wissenschaftliche Projektkoordinator Jean-François Sassi.

Optimierte Produktion

Die Projektpartner testeten und klassifizierten mehr als 150 Mikroalgenstämme, von denen die meisten nach Wachstumsrate und Produktivität der Zielverbindungen zu sechs kommerziell relevanten Arten gehören. Sie identifizierten und untersuchten auch Marktmöglichkeiten für Terpene und Carotinoide in High-End-Sektoren wie Kosmetika, Nutrazeutika und Duftstoffe. Darüber hinaus entwickelten die Forschenden vier genetisch stabile photosynthetische Blaualgen (Cyanobakterien) zur Herstellung leichter Terpene. Sie blieben unter kontinuierlichen Kulturbedingungen über ein Jahr lang stabil. „Wir haben auch den Konzeptnachweis für einen kontinuierlichen Abziehprozess erstellt, um diese gewünschten olfaktorischen Verbindungen zu sammeln“, erklärt Sassi. Die Forschenden kultivierten die ausgewählten Mikroalgenstämme in Bioreaktoren im Pilotmaßstab und untersuchten verschiedene Parameter wie Licht, Teildruck von Sauerstoff und Kohlendioxid sowie Nährstoffe. Sie optimierten die Terpenproduktion durch die Entwicklung innovativer, auf Online-Überwachung und automatisierter Steuerung der Photobioreaktoren basierender Sensoren und Beleuchtungsstrategien, welche die Wartungs- und Betriebskosten senken. Das Projekt ABACUS untersuchte auch die Fraktionierungsschritte, um eine umweltfreundliche und kostengünstige Weiterverarbeitung zu gewährleisten und die Betriebskosten der gesamten Produktionslinie zu senken. Durch eine Ökobilanz und eine technoökonomische Analyse der gesamten Produktionswertschöpfungskette konnten die Forschenden die Nachhaltigkeit der Technologien und Produkte sowie die Marktakzeptanz sicherstellen.

Erhöhte Erträge

Laut Sassi „führte die Integration dieser verschiedenen Strategien zu einer erheblichen Produktivitätssteigerung von mehr als 50 % im Vergleich zum Stand der Technik. Von den fünf untersuchten Prozessen wurden vier im industriellen Maßstab getestet und ergaben mehr als 200 kg mit Carotinoiden angereicherte Algenbiomasse.“ Die Forschenden extrahierten Zielverbindungen und Nebenprodukte aus der Algenbiomasse und reinigten sie, um Anteile mit hohem Mehrwert zu erhalten. Dies führte zu Ausbeuten von mehr als 20 % für bioaktive Verbindungen mit einem Gesamtcarotinoidgehalt von 10 bis 15 %. Nach der physikalisch-chemischen Reinigung der Produkte mit überkritischen Flüssigkeiten wurde die technische Akzeptanz und Anwendbarkeit der Inhaltsstoffe auf Mikroalgenbasis für die Zielmärkte wie Kosmetika und Nutrazeutika bewertet. „Durch die Bewältigung der biologischen Prozessherausforderungen bei der Entwicklung einer neuen Mikroalgen-Bioraffinerie kann das Projekt ABACUS wettbewerbsfähige und innovative Produkte sowohl für den Zielmarkt als auch für neue Märkte erfolgreich bereitstellen“, schließt Sassi. Das Projekt produzierte auch 28 Originalveröffentlichungen, die sich an ein Publikum aus Wissenschaft und Industrie richteten. Es organisierte ein zweitägiges internationales Seminar im Jahr 2019, in dem EU-finanzierte Projekte vorgestellt und diskutiert wurden, um gegenseitigen Austausch und Synergien zwischen Maßnahmen zu ermöglichen. ABACUS erhielt Finanzmittel vom Gemeinsamen Unternehmen für biobasierte Industriezweige, einer öffentlich-privaten Partnerschaft zwischen der EU und der Industrie.