Gewinnung von EPA-Ethylester aus Mikroalgen mit überkritischen Fluiden

Algen produzieren eine Vielzahl chemischer Grundstoffe mit hohem Wertschöpfungspotenzial (Tabelle). Die langkettige Omega-3-Fettsäure Eicosapentaensäure (EPA, 20:5) findet immer mehr Anwendung als Nahrungsergänzungsmittel. Bisher wird EPA überwiegend aus Fischöl gewonnen, wo sie als Gemisch mit DHA (Docosahexaensäure, 22:6) vorliegt. Weitere Aufreinigungsschritte, um reines EPA zu erhalten, sind aufwendig und teuer. Aufgrund der unterschiedlichen Wirkungsweisen der beiden Fettsäuren im Körper ermöglichen jedoch nur reine Fettsäuren einen gezielten und definierten Einsatz. Im Vergleich zu Fischöl weisen viele Mikroalgen neben kürzerkettigen Fettsäuren nur EPA (ca. 5 Gew%) und kein DHA auf. Ziel eines aktuellen Projekts am Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik der Universität Stuttgart ist es daher, einen integrierten Prozess zur Gewinnung von EPA aus der Mikroalge Phaeodactylum tricornutum als wirtschaftliche Alternative zur EPA-Produktion aus Fischöl zu etablieren.

Die Algenzellen werden in geschlossenen Photobioreaktoren, die am Fraunhofer IGB entwickelt wurden, mit Sonnenlicht, Mineralsalzen und CO₂ kultiviert. EPA liegt in den Mikroalgen in der Chloroplastenmembran als Monogalactosyldiglycerid vor. Zur Gewinnung der Monogalactosyldiglyceride aus der Chloroplastenmembran wurden unterschiedliche organische Lösungsmittel getestet. Zudem wurde die kontinuierliche Extraktion mittels überkritischer Fluide untersucht. Der Vorteil hierbei ist, dass die extrahierten Produkte frei von gegebenenfalls gesundheitsschädlichen Lösungsmitteln vorliegen. Damit EPA als Nahrungsergänzungsmittel eingesetzt werden kann, muss es zudem als Ethylester aufgearbeitet werden.

Der integrierte Aufarbeitungsprozess zur Gewinnung von EPA aus Mikroalgen untergliedert sich in mehrere Schritte:

• Zellaufschluss der Algenzellen
• Extraktion der Monogalactosyldiglyceride aus Mikroalgen
• Umesterung der Monogalactosyldiglyceride zu EPA-Ethylestern

Mechanischer Zellaufschluss

Da EPA in den Algenzellen in der Chloroplastenmembran vorliegt, ist ein Aufschluss der Algenzellen notwendig, um die Diffusionsbarrierewirkung der Zellmembran zu reduzieren. Hierzu wurden zwei Möglichkeiten untersucht: Mittels Hochdruckhomogenisator wird die Algenbiomasse bei Drücken bis zu 2000 bar aufgeschlossen und zum Platzen gebracht, wohingegen mittels Rührwerkskugelmühle die Algenzellen zermahlen und somit die komplette Zellstruktur zerstört und aufgeschlossen wird.

Extraktion der Galactolipide mit überkritischem Kohlenstoffdioxid

Zur Extraktion der Galactolipide aus den Algenzellen haben wir neben organischen Lösungsmitteln wie Ethanol auch überkritisches CO₂ (supercritical CO₂, scCO₂) verwendet. Im Extraktor liegt die Biomasse als Festbett vor, durch das scCO₂ strömt. Der Extrakt wird anschließend im Separator vom CO getrennt und aufgefangen. Aufgrund der Polarität der Galactolipide konnte bei der Extraktion mit scCO₂ durch die Verwendung von Ethanol als Co-Solvent die Ausbeute gesteigert werden. Zusätzlich wurde der Einfluss eines vorherigen Zellaufschlusses mittels Rührwerkskugelmühle oder Hochdruckhomogenisator auf die Extraktion untersucht. Hierbei hat sich gezeigt, dass die Extraktion von mit der Rührwerkskugelmühle aufgeschlossener Biomasse die höchsten Ausbeuten von bis zu 85 Prozent aufweist.

Umesterung der Galactolipide zu EPA-Ethylestern

Für die Herstellung eines EPA-Ethylesters zur Verwendung als Nahrungsergänzungsmittel ist es notwendig, EPA vom extrahierten Galactolipid abzuspalten und enzymatisch mit Ethanol zu verestern. Hierfür ist neben Ethanol als eigentlichem Substrat ein weiteres Lösungsmittel notwendig, um die Enzymaktivität zu erhalten, beispielsweise scCO₂. Enzyme für die Transesterifikation werden immobilisiert als Enzymfestbett eingesetzt. Dem kontinuierlichen scCO₂-Strom über das Enzymfestbett wird ein Ethanolextrakt mit Galactolipiden zudosiert. In Abhängigkeit von der Konzentration der Galactolipide im Ethanolextrakt muss für die vollständige Transesterifikation die Verweilzeit im Enzymfestbett entsprechend eingestellt werden.

Weitere Aufreinigungsschritte und Ausblick

Zur Gewinnung der reinen EPA-Ethylester sind weitere Aufreinigungsschritte nötig. Wie die Abtrennung des Ethanols mittels Rektifikation, der polaren Reststoffe mittels scCO₂ sowie der niederen Fettsäureethylester mittels scCO₂-Chromatographie.

Um in Zukunft nachhaltige, ressourcenschonende und umweltverträgliche Verfahren für die stoffliche und energetische Nutzung von Algenbiomasse zu etablieren, sollen nach dem Prinzip einer Bioraffinerie zunächst Wertstoffe mittels überkritischer Fluide aus den Algen gewonnen und fraktioniert werden, um im Anschluss die Restbiomasse energetisch zu nutzen.

Wir danken der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) für die Förderung des Projekts »Integrierter Prozess zur Produktion von Omega-3-EPA mittels Mikroalgen im Photobioreaktor, Entwicklung von Aufschluss- und Extraktionsverfahren« (Aktenzeichen 13224 – 32) am Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik (IGVT) der Universität Stuttgart.