Entwicklung einer Downstreamtechnologie für die Gewinnung von ω3-reichen Algenextrakten

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1 Entwicklung einer Downstreamtechnologie für die Gewinnung von ω3-reichen Algenextrakten Innovationskonferenz Algaestream Jena, Dr. Claudia Grewe Salata GmbH

2 Mikroalgenprodukte Alge Anwendung Marktvolumen Spirulina Chlorella Nahrungsergänzung Futtermittel Kosmetik Nahrungsergänzung Futtermittel 170 Mio. US$ 120 Mio. US$ Nannochloropsis Aquakultur 150 Mio. US$ Nahrungsergänzung Dunaliella Haematococcus Nahrungsergänzung Futtermittelzusatz Nahrungsergänzung Futtermittelzusatz Kosmetik 136 Mio. US$ 70 Mio. US$

3 Mikroalgen Produktformen Anteil der Produktform Biomasse (%) Anteil der Produktform Extrakt (%) Produktion (t/a) Arthrospira Chlorella Nannochloropsis Dunaliella Haematococcus Aphanizomenon Nostoc Euglena Porphyridium

4 Algeninhaltsstoffe Proteine, Enzyme, essentielle Aminosäuren Mineralien und Spurenelemente (Zink, Chrom, Silizium, Schwefel) Vitamine & Antioxidanzien (Vitamin B, C, H, E, β-carotin) Polysacharide Carotinoide Omega 3 Fettsäuren(EPA, DHA) Zn Si S Cr 4

5 Polyungesättigte ω3-fettsäuren fördern: EPA (C20:5, n3) DHA (C22:6, n3) FrühkindlicheRetina-und Gehirnentwicklung kognitive Fähigkeiten Immunsystem Weitverbreitet als Nahrungsergänzungsmittel verhindern/ verringern: Arteriosklerose koronare Herzerkrankungen Entzündungsreaktionen(Arthritis) Bluttfettwerte(TAG) Blutdruck Umwandlung von beeinträchtigter Glucosetoleranz zu Typ 2 Diabetes Krebsbedingte Kachexie Depressionen/ Fatigue-Syndrom Arrhythmien Tägliche Dosis von md. 250 mg reduziert das Risko von plötzlichem Herztod (Musa-Veloso et al. Brit J Nutr 2011)

6 Beispiele für Omega-3 reiche Produkte Guten Appetit!

7 Mikroalgen und ω3-fettsäuren Untersuchung von Laborkulturen auf: C18:3, C20:4 und C20:5-Anteile und Gehalte Kultivierbarkeit

8 Selektion Nannochloropsis Vorkommen Spezies Salzwasser Brackwasser Süßwasser Morphologie Celluläre Orgaisation Carotinoide Chlorophyll Farbe Salz-, Brack- und Süßwasser N. salina (Hibberd 1981), N. granulata (Karlson & Potter 1996),N. oceanica (Suda et al. 2002) N. gaditana (Lubian 1982), N. oculata (Hibberd 1981) N. limnetica (Krienitz et al. 2000) Coccal bis ovoid, meist einzelner Plastid Refraktile Granula; Chloroplastenmembran mit Nukleusmembran verbunden Violaxanthin, Vaucheriaxanthin (-ester), Zeaxanthin, Antheraxanthin, Canthaxanthin, ß-Carotin Chlorophyll a Gelb grün Durchmesser 2 4 µm Fettsäuren w3 EPA; w6 ARA

9 Up-scaling von Nannochloropsis 250 ml Erlenmeyer L PBR 2 L Blasensäulen L PBR 30 L PBR 2000 L PBR

10 Kultivierung im industriellen Maßstab Salata GmbH Thüringen, Ritschenhausen seit 2005 Ganzjährig in Lebensmittelqualität für Kosmetik, Nahrungs- und Nahrungsergänzungsmittel

11 Entwicklung eines Downstream-Konzeptes Einflussfaktoren auf die Verfahrensauswahl Eigenschaften des Zielproduktes EPA: Lipid, M: ~1000 g*mol -1 Carotinoide: Isoprenoide, M ~ 569 g*mol -1 Gehalt Lokalisation Zellgröße-/ Eigenschaften der Mikroalge Angestrebte Produktreinheit Kultivierungsverfahren Chargengröße EPA: 1-6% d. TS Carotinoide: 1% d. TS Thylakoidmembrane der Chloroplasten 2,7 µm, marin ~ 50% EPA im Extrakt autotroph kg TS; kg slurry

12 Fettsäurezusammensetzung von Nannochloropsis sp Anteil an Gesamtf fettsäuren (%) C14:0 C16:0 C16:1 C20:4 C20:5 Fettsäurezusammensetzung im Gesamtfett

13 Thylakoidlipidklassen von Nannochloropsis sp. Galaktolipide R R MGDG R R SQDG DGDG R R Carotinoid de Glycerolipide Phospholipide R R R R DGTS PG

14 Fettsäurezusammensetzung in den Lipidklassen von Nannochloropsis sp. TAG PC PE PG DGTS DGDG C20:5 C16:1 C16:0 MGDG SQDG % der Fettsäuren

15 Partikelgrößenverteilung von Nannochloropsis sp. d p50 = 2,7 µm

16 Entwicklung eines Downstream-Konzeptes Separator (Tellerzentrifuge) Klarlauf Kultursuspension Biomasse Bildquelle: Gea Westfalia Sinkgeschwindigkeit im Zentrifugalfeld im STOKEschen Bereich 16

17 Entwicklung eines Downstream-Konzeptes Zellaufschluss- Rührwerkskugelmühle (RWKM) Sperrflüssigkeit Produkt Mahlkörper Quelle: TU Braunschweig 17

18 Entwicklung eines Downstream-Konzeptes Zellaufschluss von Nannochloropsissp. in einer RWKM 120% 100% Aufschlussg grad in % 80% 60% 40% 20% 0% Aufschlusszeit in h

19 Entwicklung eines Downstream-Konzeptes CO 2 -Hochdruckextraktion (Destraktion) Quelle: NateCO 2 CO 2 -HDE-Anlage NateCO 2, Wolnzach Quelle: wikis.lawrence.edu CO 2 HDE Alternative in Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie 19

20 CO 2 -Extrakte aus Nannochloropsissp. An nteil in % bar, kein EtOH 500 bar, EtOH 700 bar, kein EtOH 700 bar, EtOH Extraktionsbedingungen Anteil EPA im Extrakt Lipidgehalt im Extrakt Anteil EPA am FS-Spektrum Extraktaubeute Lipid

21 Pigmente in Nannochloropsis sp Violaxanthin - 9,800 Zeaxanthin - 13,733 Chlorophyll a - 24,200 ß-Carotin - 31,167 %ualer Anteil Gehalt (% d. TS) Violaxanthin 45,8 0,48 Zeaxanthin 20,3 0,21 β-carotin 12,8 0,13 Summe 0,82 mau WVL:450 nm -50 min 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40, Zeaxanthin - 13, min 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 Chlorophyll-Abbauprodukt - 27,433 ß-Carotin - 30,933 %ualer Anteil n.d. Gehalt (% d. TS) n.d. Violaxanthin Zeaxanthin 23,7 0,88 β-carotin 11,3 0,42 Summe 3,72

22 Entwicklung eines Downstream-Konzeptes Separation selbstaustragender Tellerseparator Zellaufschluss Rührwerkskugelmühle Trocknung Gefriertrocknung Extraktion CO 2 -Hochdruckextraktion

23 Zusammenfassung Aufarbeitungsstrategie für hochwertige Algenbiomasse einer Nannochloropsis Spezies entwickelt: Kombination von Zellernte, Zellaufschluss, Trocknung und Destraktion Entwicklung eines lipophilen ω3-reichen Extraktes, über 50% (w/w) EPA und einem Carotinoidgehalt von über 3,4% Applikationsgebiet des innovativen Produktes: Nahrungsergänzung (Opthalmologie)