ALGAE-MODULE 4.0 – Ergebnisse

Im Projekt „ALGAE-MODULE 4.0“ wurden wissenschaftliche und technologische Grundlagen für eine modulare, ressourceneffiziente Produktion von Mikroalgen mit definierten Produkteigenschaften geschaffen.

Ein zentraler Schwerpunkt lag auf der gezielten Steuerung der Kultivierungsbedingungen und der Bildung wertgebender Inhaltsstoffe. Hierfür wurde ein Screening-Setup mit neun parallelen Kulturen etabliert, welches eine Variation der Lichtbedingungen über acht spektrale Kanäle erlaubte. Die Experimente zeigten, dass ein Breitbandlichtspektrum (Weißlicht) das Biomassewachstum im Vergleich zu monochromatischen Lichtbedingungen um bis zu 30 % steigern kann. Gleichzeitig beeinflussen spezifische Wellenlängen gezielt die Stoffbildung: Grünes Licht stimuliert insbesondere primäre Pigmente, während blaues Licht die Akkumulation sekundärer Carotinoide fördert. Daraus wurde eine zweiphasige Kultivierungsstrategie abgeleitet, bei der zunächst Biomasse aufgebaut und anschließend gezielt die Produktion wertgebender Inhaltsstoffe induziert wird.

Parallel dazu wurden sensorbasierte Monitoring- und Analysesysteme entwickelt, um Produktionsprozesse in Echtzeit überwachen zu können. Ein multispektrales Sensorsystem ermöglicht die optische Bestimmung der Biomassekonzentration im Bereich von 0,4–2,0 g L⁻¹ sowie die frühzeitige Erkennung von Kontaminationen. Ergänzend wurde ein optischer Multiparameter-Bypasssensor etabliert, der in unterschiedliche Kultivierungssysteme integriert werden kann. Mithilfe von Nahinfrarotspektroskopie (NIR) konnte die makromolekulare Zusammensetzung der Biomasse – etwa Protein-, Fett-, Kohlenhydrat-, Mineralstoff- und Wassergehalt – innerhalb von etwa fünf Minuten bestimmt werden. Zur Auswertung der Spektraldaten wurden chemometrische Modelle entwickelt, die eine quantitative Bestimmung der makromolekularen Biomassezusammensetzung frischer Mikroalgenslurries ermöglichen. Damit reduziert sich der Analyseaufwand gegenüber klassischer nasschemischer Analytik von mehreren Tagen auf wenige Minuten.

Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Prozessintensivierung durch kontinuierliche Kultivierung. Für beide untersuchten Mikroalgenarten konnte die Raum-Zeit-Ausbeute im Vergleich zur klassischen Satzkultivierung um etwa 25–30 % gesteigert werden. Gleichzeitig führt der Betrieb im Fließgleichgewicht zu stabileren Produktionsbedingungen und einer konstanten Biomassequalität. Ergänzend wurden modulare LED-Beleuchtungssysteme entwickelt, die eine spektral dimmbare und modellbasierte Anpassung von Lichtintensität und -spektrum ermöglichen. Die wassergekühlten LED-Systeme erlauben zudem eine Rückgewinnung von Abwärme, wodurch Energieeinsparungen von bis zu 80 % im Beleuchtungssystem möglich sind. In den Pilotanlagen konnte dadurch eine bis zu fünffach gesteigerte Biomasseproduktivität gegenüber bisherigen Referenzsystemen erreicht werden.

Auch im Bereich der Aufarbeitung und Fraktionierung der Algenbiomasse wurden neue Prozessansätze untersucht. Mehrphasige Extraktionssysteme auf Basis von Emulsionen oder Tensiden erwiesen sich zwar technisch als umsetzbar, jedoch aufgrund von Material- und Energieaufwand als derzeit nicht wirtschaftlich skalierbar. Robustere Ergebnisse lieferten konventionelle Extraktionsverfahren mit geeigneten Lösungsmitteln. Ergänzend wurden unterschiedliche Zellaufschlussverfahren untersucht. Besonders vielversprechend erwies sich der Einsatz gepulster elektrischer Felder (PEF), mit denen Zellmembranen schonend permeabilisiert und wertgebende Inhaltsstoffe effizient extrahiert werden können – insbesondere für Limnospira maxima, da sich damit Phycocyanin effizient aus der frischen Biomasse freisetzen lässt. Im Vergleich zu Ultraschallbehandlungen konnten teilweise höhere Reinheiten der Extrakte erzielt werden.

Im Demonstratormaßstab von 200 L wurden die entwickelten Technologien schließlich zu einer integrierten modularen Produktionsplattform zusammengeführt. Dabei kamen automatisierte Monitoring- und Steuerungssysteme, spektral steuerbare LED-Beleuchtung sowie kontinuierliche Kultivierungsstrategien zum Einsatz. Ergänzend wurde gezeigt, dass frische Mikroalgenbiomasse auch für lebensmitteltechnologische Anwendungen geeignet ist. In Versuchen zur Nassextrusion konnte Spirulina-Biomasse erfolgreich in proteinbasierte Extrudate integriert werden, ohne die Verarbeitbarkeit der Grundrezeptur zu beeinträchtigen. Zudem zeigte die Biomasse eine stabile Farberhaltung bei Extrusionstemperaturen von etwa 110 °C.

Insgesamt zeigt das Projekt, dass sich durch die Kombination aus präziser Lichtsteuerung, automatisierter Prozessanalytik, kontinuierlicher Kultivierung und schonenden Aufarbeitungstechnologien eine modulare und skalierbare Produktionsplattform für Mikroalgen realisieren lässt. Damit wurden wichtige Grundlagen für eine ressourceneffiziente regionale Produktion mikroalgenbasierter Lebensmittelzutaten geschaffen. Die entwickelten Konzepte zur kontinuierlichen Algenproduktion wurden zudem in einem Patent zur „Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen Algenproduktion“ (EP24173843A1 / DE102023111197) geschützt.