Elektroimpulsbehandlung von Mikroalgen zur Gewinnung von Inhaltsstoffen für die energetische und stoffliche Nutzung

Zielsetzung dieser Hauptarbeitsrichtung im Rahmen des Helmholtz-Programms „Erneuerbare Energien“ ist es den Zellaufschluss durch Elektroimpulsbehandlung zur energetischen Verwertung von Mikroalgenbiomasse zu nutzen und weitere Einsatzpotentiale aufzuzeigen. Ziel der Arbeiten ist die Energie und Ressourcen schonende Extraktion von Zellinhaltsstoffen, wie eingelagerte Lipide, Fluoreszenzbild, und andere Wertstoffe.

Mikroalgen produzieren, konservativ gerechnet, mindestens doppelt so viel Biomasse pro Jahr und Fläche als konventionell agrartechnisch gewonnene Energiepflanzen. Des Weiteren ist die Ölausbeute im Vergleich zu agrartechnisch gewonnenen Ölpflanzen etwa 10 Mal so hoch.

Das Ausgangsmaterial für die Untersuchungen wird mit Photobioreaktoren in Labor- und Freilandanlagen am IHM kultiviert. Zur Qualtitätsbeurteilung der produ­zierten Biomasse stehen fluoreszenz-, transmissionsoptische und biochemische Diagnostiken, wie beispielsweise die Nile-Red Methode für intrazelluläre Lipide und die Sulfo-Phospho-Vanillin Reaktion für extrazelluläre Triglyzeride zur Verfügung.

In bisherigen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Lipidausbeute mittels Lösungsmittelextraktion nach Elektroimpulsbehandlung der Mikroalgenbio­masse um einen Faktor 2 - 4 höher liegt, als ohne Elektroimpulsbehandlung. In die gleiche Größenordung fällt die Steigerung der Ausbeute an wasserlöslichen intrazellulären Inhaltstoffen.

Weiterhin ermöglicht die Elektroimpulsbehandlung eine Kaskadenprozessierung von Mikroalgenbiomasse. Nach Abtrennung der wasserlöslichen Fraktion, können beispielsweise anschließend Proteine und im letzten Schritt die Lipide extrahiert werden. Die leichte Abtrennbarkeit der Biomasse vom Zielprodukt bleibt dabei durchgehend erhalten, da die Elektroimpulsbehandlung die Zellgestalt nicht ändert. Konventionelle Methoden des Zellaufschlusses erzeugen durchweg kleine, schwer abtrennbare Zellfragmente.

In enger Zusammenarbeit mit den Instituten der KIT-Mikroalgen-Plattform befassen sich die aktuellen Arbeiten am IHM mit Anwendungen der fraktionierenden Eigenschaften der Elektroimpulsbehandlung. Nach Abtrennung der Wertstoffe werden unterschiedliche energetische Verwertungspfade auf Effizienz untersucht. Die Abhängigkeit des Zellaufschlusses von den elektrischen Behandlungs­parametern, wie elektrische Feldstärke, Pulsdauer und Energieeintrag und die Umsetzung der Elektroimpulsbehandlung im Pilotmaßstab mit Massenflüssen von einigen 100 Litern/h sind begleitende Basisarbeiten.