EPA-Ethylestern aus Phaeodactylum tricornutum mit

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1 Entwicklung eines Verfahrens zur Gewinnung von EPAEthylestern aus Phaeodactylum tricornutum mit überkritischen Fluiden Von der Fakultät Energie, Verfahrens und Biotechnik der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.Ing.) genehmigte Abhandlung vorgelegt von Andrea Seibert aus Günzenhausen Hauptberichter: Mitberichter: Prof. Dr. Thomas Hirth, Universität Stuttgart Prof. Dr.Ing. Zeljko Knez, Universität Maribor Tag der mündlichen Prüfung: Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik der Universität Stuttgart 2012

2 I Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis VII IX XI XXI 1 ZUSAMMENFASSUNG Abstract 2 EINLEITUNG UND ZIELSETZUNG Einleitung und Motivation Zielsetzuno 6 3 GRUNDLAGEN UND STAND DER TECHNIK 3.1 Omega3Fettsäuren Grundlagen und Bedeutung von Omega3Fettsäuren Mikroalgen als Rohstoff zur Herstellung von Omega3Fettsäuren Aufarbeitungsverfahren zur Gewinnung von Wertstoffen aus Algen Überblick über Aufarbeitungsverfahren von Mikroalgen Verfahren zum Zellaufschluss von Mikroalgen Extraktionsverfahren zur Gewinnung von Lipiden aus Mikroalgen Lösungsmittelauswahl für die Extraktion Extraktionsverfahren mit organischen Lösungsmitteln Extraktionsverfahren mit überkritischem COi

3 Verfahren zur Umesterung von Fettsäuren Enzymatisch katalysierte Veresterungsverfahren Chemisch katalysierte Veresterungsverfahren 37 4 MATERIALIEN UND GERÄTE mikroalge pliaeodactylum tr1cornutum 4.2 k.ultivierungsmedien Enzyme Anlagen FlachplattcnAirliftReaktor zur Kultivierung von Mikroalgen Hochdruckhomogenisator zum Aufschluss von Mikroalgen Rührwcrkskugclmühle zum Aufschluss von Mikroalgen Anlage zur Extraktion mit Ethanol Anlage zur Extraktion mit überkritischem CO Anlage zur Extraktion mit verflüssigtem Propan Anlage zur direkten Extraktion und Veresterung in überkritischem CO2 5 METHODEN Analytische Methoden Bestimmung des Ammonium und PhosphatGehalts im Medium Bestimmung des EPAGehalts in Mikroalgen und Extrakten Chromatographische Analysen Analyse von Methylestern und Ethylestern mittels Gaschromatographie Analyse von Algenextrakten mittels Dünnschichtchromatographie Bestimmung des Zellaufschlussgrades von Mikroalgen Bestimmung des intrazellulären Proteins beim Zellaufschluss

4 Bestimmung des Chlorophylla Gehalts beim Zellaufschluss Bestimmung der Maximalwerte von Chlorophyll und Protein Bestimmung der Viskosität von Algensuspensionen Bestimmung der Partikelgrößenverteilung von Algensuspensionen 5.2 Kultivierung von Mikroalgen 5.3 Mechanischer Zellaufschluss von Phaeodactylum tricornuwm Zellaufschluss im Hochdruckhomogenisator Zellaufschluss in der Rührwerkskugelmühle 5.4 FESTFlUSSIGEXTRAKTION VON EPA ALS MONOGALACTOSYLDIACYLGLYCIRID Batchweise FestFlüssigExtraktion von EPA Auswahl von geeigneten organischen Lösungsmitteln Extraktion mit Ethanol Semikontinuierliche FestFlüssigExtraktion von EPA Extraktion mit Ethanol Extraktion mit überkritischem C Extraktion mit verflüssigtem Propan Berechnung relevanter Kenngrößen für die Extraktion 5.5 Veresterung von EPA zu EPAEthylestern Enzymatisch katalysierte Veresterung von Ethanolextrakten aus Algen Herstellung eines Ethanolextrakts aus Algen Bestimmung der Enzymaktivität von Lipasen Auswahl von geeigneten Lipasen zur Veresterung von EPA Veresterung im Reaktionsgemisch EthanolHexanWasser Veresterung in überkritischem CO: 72

5 6.3 Mechanischer Zellaufschluss von Phaeodactywm tricornutum Chemische Verfahren zur Veresterung von Algenbiomasse in Ethanol Alkalisch katalysierte Veresterung von Algenbiomasse Sauer katalysierte Veresterung von Algenbiomasse Kombination von Extraktion und Veresterung in Oberkritischem C ERGEBNISSE UND DISKUSSION ÜBERBLICK ÜBER DIE UNTERSUCHTE PROZESSKETTE Kultivierung von Phaeodactywm tricornutumzur Gewinnung von EPA Batchweise Kultivierung von Phaeodactyhim tricornutum im Labor Kontinuierliche Kultivierung von Phaeodactyhim tricornutum im Freiland Vergleich und Bewertung der Kultivierungsmethoden Zellaufschluss im Hochdruckhomogenisator Zellaufschluss in der Rührwerkskugelmühle Einfluss der Biomassekonzentration auf den Zellaufschlussgrad Einfluss des Mahlkörperfüllgrads auf den Zellaufschlussgrad Einfluss der Mahlkörpergröße auf den Zellaufschlussgrad Vergleich und Bewertung der mechanischen Aufschlussvcrfahren 6.4 FestFlüssig Extraktion von EPA als Monogalactosyldiacylglycerid Batchweise FestFlüssigExtraktion von EPA als MGDG Auswahl von geeigneten organischen Lösungsmitteln Einfluss von Wasser aufdie Extraktion Untersuchung der Extraktion mit Ethanol Scmikontinuicrliche FestFlüssigExtraktion von EPA mit Ethanol Scmikontinuicrliche Extraktion von EPA mit überkritischem CQ2 121

6 Einfluss des Zellaufschlusses und des CoSolvents Ethanol Einfluss von Wasser auf die Extraktion mit überkritischem COi Einfluss des Drucks aufdie Extraktion mit überkritischem C Einfluss des Massenstroms auf die Extraktion mit überkritischem COi Semikontinuierliche FestFlüssigExtraktion von EPA mit Propan Einfluss des Zellaufschlusses aufdie Extraktion mit Propan Einfluss von Wasser auf die Extraktion mit Propan Vergleich und Bewertung der Extraktionsverfahren von EPA Verfahren zur Veresterung von EPA zu EPAEthylestern Batchverfahren zur enzymatischen Veresterung von Ethanolextrakten Auswahl von geeigneten Lipasen zur Veresterung Veresterung im Reaktionsgemisch EthanolHexanWasser Kontinuierliche enzymatische Veresterung in überkritischem CO Einfluss des Drucks und der Temperatur auf die Veresterung Einfluss des EnzymSubstratZeitVerhältnisses auf die Veresterung Chemische Verfahren zur Veresterung von Algenbiomasse in Ethanol Alkalisch katalysierte Veresterung von Algenbiomasse Sauer katalysierte Veresterung von Algenbiomasse Vergleich und Bewertung der Verfahren zur Veresterung von EPA Kombination von Extraktion und enzymatisciier Veresterung in C Darstellung und Bewertung der Prozesskette ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 7.1 Zusammenfassung Ausblick 178

7 9.1 Spezifischer Energieeintrag beim Zellaufschluss Kurvenfitting zur Extraktion mit überkritischem C02 und Ethanol Charakterisierung der Modelle nach DOE LITERATURVERZEICHNIS 9 ANHANG 9.2 Viskositätsmessung beim Zellaufschluss partikelgrößen verteilung beim zellaufschluss 9.4 Zellaufschluss in der Dynomill zur Extraktion Enzymatische Umesterung Geräteliste Verbrauchsmaterialien 9.11 Zusatz 9.9 Chemikalien

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