Zeitschrift für Thermodynamik und Katalyse
Offener Zugang

Abstrakt

Zellaufschluss und Druckflüssigkeitsextraktion von Carotinoiden aus Mikroalgen

Josef Taucher, Sascha Bär, Philipp Schwerna, Dominik Hofmann, Magdalena Hümmer, Rainer Buchholz und Anna Becker

Mikroalgen sind vielversprechende Organismen für die Produktion hochwertiger Verbindungen wie Carotinoide. Allerdings wird ihre kommerzielle Nutzung bislang durch den Mangel an effizienten Prozessen behindert und ist derzeit nur für sehr wenige Stämme durchführbar. Einer der wichtigsten Faktoren ist der hohe Aufwand für die Weiterverarbeitung, z. B. Zellaufschluss und Extraktion. Daher widmeten sich die vorgestellten Studien der Untersuchung und Optimierung dieser beiden Schritte für die Carotinoidproduktion mit Mikroalgen. Sechs verschiedene Zellaufschlusstechniken (Hochdruckhomogenisator, Kugelmühle, Ultra Turrax, wiederholtes Einfrieren und Auftauen, Gefriertrocknung, Ultraschallbehandlung) wurden im Labormaßstab für drei Arten verglichen: Haemotococcus pluvialis , Chromochloris zofingiensis und Chlorella sorokiniana . Die Carotinoid-Ausbeute wurde nach Drucklösungsmittelextraktion mittels HPLC-UV/Vis bestimmt. Darüber hinaus wurden Faktoren, die die angewandten Extraktionsmethoden beeinflussen, wie Lösungsmittel, Temperatur, Dauer und Anzahl der Zyklen, optimiert, um höchste Ausbeuteraten zu erreichen. Während grobe mechanische Methoden wie Kugelmühle und Hochdruckhomogenisator die höchste Wirksamkeit für die Zellzerstörung aller drei untersuchten Stämme zeigten, nahm der Einfluss nicht-mechanischer Methoden – d. h. wiederholter Gefrier- und Auftauzyklen – auf die Effizienz der Extraktion von Astaxanthin, Lutein und β-Carotin umgekehrt proportional zur Zellgröße und Zellwandsteifigkeit zu. Bei H. pluvialis führte wiederholtes Einfrieren und Auftauen zu einer 240-fach geringeren Extraktionsausbeute im Vergleich zum Hochdruckhomogenisator, während beide Methoden bei C. sorokiniana vergleichbar waren . Von den sechs getesteten Lösungsmitteln ergab Dichlormethan die höchste Carotinausbeute, dreimal höher als n-Hexan. Die Variation der Extraktionstemperatur von Raumtemperatur auf 120 °C zeigte ein Optimum bei 60 °C. Eine nahezu vollständige Extraktion wurde nach einem Zyklus von 10 Minuten erreicht. Die hier vorgestellten Daten zeigen die Notwendigkeit einer Optimierung des Zellzerstörungs- und Extraktionsprozesses im Labormaßstab für eine zukünftige Hochskalierung