ENABLE – Ergebnisse

Im Projekt „ENABLE“ wurde das Potenzial der Mikroalge C. zofingiensis als nachhaltige Quelle für ernährungsphysiologisch wertvolle Inhaltsstoffe untersucht.  Ein zentraler Schwerpunkt lag auf der Untersuchung der Biomasseproduktion unter verschiedenen trophischen Kultivierungsbedingungen. Dabei wurden photoautotrophe, mixotrophe und heterotrophe Prozessmodi analysiert und hinsichtlich Wachstum, Substratverbrauch und Biomassezusammensetzung miteinander verglichen. Als organische Kohlenstoffquellen wurden unter anderem Acetat, Glucose und Saccharose eingesetzt. Für die heterotrophe Kultivierung erwies sich Glucose als besonders geeignetes Substrat. Während unter phototrophen Bedingungen insgesamt höhere Carotinoidkonzentrationen erreicht wurden, zeigte sich unter heterotrophen Bedingungen eine verstärkte Akkumulation von Lipiden mit dominierenden C16- und C18-Fettsäuren sowie einem Anteil von bis zu etwa 20 % Linolsäure (Omega-6). Das Aminosäureprofil, Fettsäurespektrum und die Pigmentzusammensetzung der Biomasse unterschieden sich deutlich zwischen den verschiedenen Kultivierungsmodi.

Zur genaueren Analyse der Prozessbedingungen wurden experimentelle Untersuchungen zum Einfluss zentraler Umweltfaktoren wie Temperatur, Lichtintensität, pH-Wert und Sauerstoffkonzentration durchgeführt. Mithilfe photorespirometrischer Messungen konnten Ursache-Wirkungs-Beziehungen zwischen Prozessparametern und Photosyntheseleistung der Mikroalgen ermittelt werden. Auf Basis dieser Datensätze wurde ein parametrisiertes Prozessmodell für die Biomasseproduktion entwickelt. Dieses Modell ermöglicht eine modellbasierte Prozessregelung und führte in Versuchen zu einer deutlichen Steigerung der Biomasseproduktivität gegenüber ungeregelten Referenzprozessen. So konnte durch kontinuierliche Prozessführung die Biomasseproduktivität um etwa 30 % gesteigert werden. Gleichzeitig konnte die Carotinoid-Produktionsphase auf etwa vier Tage verkürzt werden. Die entwickelten Prozessstrategien wurden im Pilotmaßstab validiert, wobei photoautotrophe und mixotrophe Kultivierungen erfolgreich in einem 100-L-System sowie darüber hinaus bis zu 2000 L skaliert wurden.

Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes lag auf der Untersuchung der ernährungsphysiologischen und technofunktionellen Eigenschaften der Mikroalgenbiomasse. Dazu wurden Aminosäure- und Fettsäureprofile sowie Pigmentzusammensetzungen mithilfe LC/MS-, GC/MS- und HPLC-basierter Analyseverfahren bestimmt. Ergänzend wurden Wasserbindung, Wasserlöslichkeit und Farbe der Biomasse sowie deren Verdaulichkeit nach thermischer, mechanischer oder kryogener Prozessierung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere thermische Behandlung die Wasserlöslichkeit erhöht, während mechanische oder kryogene Belastungen die Wasserbindung der Biomasse deutlich steigern können. Zudem wurden zwei Demonstrationsprodukte, ein beispielsweise in Form von frischer und getrockneter Pasta mit C. zofingiensis, entwickelt und hinsichtlich der Kocheigenschaften mit einem Referenzprodukt ohne Mikroalgen verglichen und auch sensorisch bewertet.

Parallel dazu wurden innovative Verfahren zur Verarbeitung der Mikroalgen untersucht. Ein Schwerpunkt lag auf der Entwicklung einer neuen Behandlungszelle für Pulsed-Electric-Field-Anwendungen (PEF). Dabei zeigte sich, dass die hohe Leitfähigkeit der Algensuspension von etwa 25–30 mS/cm eine direkte Behandlung unverdünnter Biomasse technisch erschwert. Simulationen des Stromflusses und der Feldstärkeverteilung ermöglichten jedoch wichtige Erkenntnisse zur Optimierung des Kammerdesigns. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass wiederholte PEF-Behandlungen zu einer Stimulation des Algenwachstums führen können und in Versuchen eine Steigerung der Wachstumsrate von etwa 9 % erreichten. Zudem konnte durch die optimierte PEF-Behandlung ein effizienter Zellaufschluss bei gleichzeitigem Erhalt der Bioaktivität wertgebender Inhaltsstoffe (z. B. Astaxanthin) erreicht werden.

Die im Projekt gewonnenen Daten wurden zudem genutzt, um die gesamte Produktionskette einer C. zofingiensis-Kultivierung mithilfe der Prozesssimulationssoftware SuperProDesigner abzubilden und ökonomische sowie infrastrukturelle Herausforderungen einer späteren industriellen Umsetzung zu analysieren. Hierfür wurden umfassende Prozess-, Energie- und Kostendaten systematisch erhoben und in techno-ökonomische Modelle integriert. Parallel dazu wurde ein Konsultationsverfahren zum Novel-Food-Status der Mikroalge initiiert. Der Antrag auf Anerkennung als nicht-neuartiges Lebensmittel wurde jedoch zunächst abgelehnt, sodass C. zofingiensis weiterhin unter die Novel-Food-Verordnung fällt.

Insgesamt zeigt das Projekt, dass C. zofingiensis ein großes Potenzial als nachhaltige Quelle für bioaktive Inhaltsstoffe besitzt. Die gewonnenen Erkenntnisse zur Kultivierung, Prozessmodellierung, Verarbeitung und Produktentwicklung leisten einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung ressourceneffizienter Produktionssysteme für mikroalgenbasierte Lebensmittelzutaten und zur Erweiterung der Wertschöpfungskette von Mikroalgen.