DE102006031212B3 - In vivo Extraktion von Sekundärmetaboliten aus Mikroalgen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur In-vivo-Extraktion von Sekundärmetaboliten aus Mikroalgen. Vorzugsweise ermöglicht das Verfahren Extraktion von Astaxanthin aus Mikroalgen der Gattung Haematoccocus pluvialis. Nach dem vorgeschlagenen Verfahren erfolgt die Extraktion der Sekundärmetabolite aus zuvor in bekannter Weise geernteter Algenbiomasse unter Verwendung eines die Lebensfähigkeit der Mikroalgen erhaltenden Lösungsmittels. Erfindungsgemäß wird die geerntete Algenbiomasse zur Extraktion der Sekundärmetabolite an einem Festkörpersubstrat immobilisiert und das Festkörpersubstrat mit der daran immobilisierten Algenbiomasse mit dem der Extraktion dienenden Lösungsmittel in Berührung gebracht. Die Immobilisierung der Algenbiomasse an dem Festkörpersubstrat erfolgt dadurch, dass die Algenbiomasse in eine auf das Substrat aufgetragene poröse Schicht eingebettet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Sekundärmetaboliten aus Mikroalgen durch in vivo Extraktion. Vorzugsweise ermöglicht das Verfahren die in vivo Extraktion von Astaxanthin aus Mikroalgen der Gattung Haematoccocus pluvialis, ohne dass jedoch die grundsätzliche Lösung hierauf beschränkt wäre.
  • Aus Biomassen, insbesondere aus Mikroalgen gewonnene Sekundärmetabolite, wie Astaxanthin, Xantaxanthin, Alpha-, Beta- und Gamma-Carotin, Lutein, Zeaxanthin, Violaxanthin und Kryptoxanthin, gewinnen seit einiger Zeit zunehmende wirtschaftliche Bedeutung. Astaxanthin, ein fettlösliches Pigment der Gruppe der Carotinoide, ist beispielsweise von großer Bedeutung in der Fischaufzucht. Hier wird es in Abwesenheit entsprechender natürlicher Quellen zugefüttert. Eine besondere Bedeutung kommt dem Astaxanthin beispielsweise bei der Aufzucht japanischer Zierkarpfen, den Kois, zu, deren Wert maßgeblich durch die Art ihrer, durch die Zufütterung von Astaxanthin beeinflussbaren Färbung bestimmt wird. Zur Bereitstellung der nötigen Mengen Astaxanthins oder auch anderer, insbesondere nährstoffreicher Sekundärmetabolite, werden Mikroalgen in großindustriellem Maßstab kultiviert und aus ihnen durch geeignete Extraktionsverfahren die Sekundärmetabolite extrahiert.
  • Nach den bisher im Wesentlichen eingesetzten Verfahren werden zunächst größere Mengen von Mikroalgen in einer geeigneten Nährlösung kultiviert, danach die Biomasse geerntet, das heißt von der Nährlösung getrennt. Eine entsprechendes Ernteverfahren ist beispielsweise aus der DE 101 36 645 B4 bekannt. Danach werden die Sekundärmetabolite aus der geernteten Biomasse unter Einsatz von Lösungsmitteln extrahiert. Bei den bislang angewandten Verfahren stirbt die jeweilige, als Lieferant der Sekundärmetabolite dienende Biomasse bei der Extraktion ab. Ein entsprechendes Extraktionsverfahren wird beispielsweise durch die US 4,680,314 beschrieben.
  • Im Allgemeinen ist jedoch die Kultivation entsprechender Mengen von Mikroalgen vergleichsweise aufwändig und zeitintensiv, da diese häufig relativ geringe Wachstumsraten aufweisen. Auf der anderen Seite handelt es sich bei den so genannten Sekundärmetaboliten, im Gegensatz zu den Primärmetaboliten, um Metabolite, denen keine essenzielle Rolle beim Zellwachstum und Zellstoffwechsel zukommt, so dass es denkbar ist, sie in vivo aus der Biomasse zu extrahieren sowie die Biomasse danach weiter zu kultivieren und sie so für eine erneute Extraktion von Sekundärmetaboliten zu nutzen.
  • Ein Verfahren zur in vivo Extraktion wird durch die EP 1 361 280 A1 beschrieben. Gemäß der EP 1 361 280 A1 erfolgt die Gewinnung der Sekundärmetabolite durch ein so genanntes Melken der Zellen, insbesondere von Mikroalgen in einem, aus einer wässrigen Phase mit der Biomasse und einer biokompatiblen organischen Phase bestehenden Kulturmedium sowie eine anschließende Trennung der mit den Metaboliten beladenen organischen Phase von der wässrigen. Dazu wird die in einem ersten Bioreaktor kultivierte Biomasse in einen zweiten Bioreaktor überführt und hier, nachdem sie zur Stimulation einer vermehrten Bildung von Sekundärmetaboliten, wie insbesondere Carotinoide, unter Stress gesetzt wurde, mit einem biokompatiblen, das heißt, die Lebensfähigkeit der Biomasse erhaltenden Lösungsmittel versetzt. Zur Durchführung der Extraktion werden die flüssige Phase mit der Biomasse und das Lösungsmittel über eine gewisse Zeit ständig umgewälzt. Dieser Umwälzvorgang wird mit dem Abschluss der Extraktion gestoppt. Hierdurch bildet sich in dem Bioreaktor ein Zwei-Phasen-System aus, bei dem sich die mit den Sekundärmetaboliten beladene organische Phase oberhalb der wässrigen Phase mit der weiterhin lebensfähigen Biomasse absetzt. Die aus dem Lösungsmittel und den extrahierten Sekundärmetaboliten bestehende organische Phase wird dann an der Oberfläche des Zwei-Phasen-Systems abgezogen. Schließlich wird das Lösungsmittel durch Verdampfen von den Metaboliten getrennt.
  • Für das beschriebene Verfahren ist die Ausbildung eines stabilen Zwei-Phasen-Systems nach der Beendigung des Umwälzvorganges und der mit ihm verbundenen Extraktion von großer Bedeutung. Nur ein stabiles Zwei-Phasen-System gestattet es, die organische, mit den Metaboliten beladene Phase von der flüssigen Phase abzuziehen. Um die Ausbildung eines entsprechend stabilen Zwei-Phasen-Systems zu gewährleisten, werden daher gemäß dem beschriebenen Verfahren, höhere Alkane, wie Oktanol, als Lösungsmittel verwendet. Diese haben allerdings verhältnismäßig hohe Siedepunkte, wodurch sich in nachteiliger Weise der Aufwand für die spätere Trennung des Lösungsmittels von den Sekundärmetaboliten erhöht.
  • Aus der DE 103 01 669 A1 ist es bekannt, Biomaterial in ein keramisches Kompositmaterial einzubinden und es dabei unter Verwendung eines nanopartikulären Verfestigungsmaterials in einem Sol-Gel-Prozess zu immobilisieren.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren zur in vivo Extraktion von Sekundärmetaboliten aus Mikroalgen bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere soll das dazu zu schaffende Verfahren eine in vivo Extraktion der Sekundärmetabolite ermöglichen und so gestaltet sein, dass für die Extraktion Lösungsmittel verwendet werden können, welche mit geringem Aufwand von den Sekundärmetaboliten zu trennen sind.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus- beziehungsweise Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
  • Nach dem vorgeschlagenen Verfahren zur Gewinnung von Sekundärmetaboliten aus Mikroalgen durch in vivo Extraktion erfolgt die Extraktion der Sekundärmetabolite, wie beispielsweise aus der EP 1 361 280 A1 bereits bekannt, unter Verwendung eines die Lebensfähigkeit der Mikroalgen erhaltenden Lösungsmittels. Jedoch werden die Mikroalgen dazu, wie wiederum von anderen, die Extraktion nicht in vivo durchführenden Verfahren bekannt, zunächst aus einer wässrigen, ihrer Kultivation dienenden Nährlösung geerntet. Dabei kann die Ernte der Algenbiomasse unter Erhalt der Vitalität der Mikroalgen beispielsweise gemäß dem in der DE 101 366 45 B4 beschriebenen Verfahren oder durch einfaches Aufkonzentrieren erfolgen.
  • Erfindungsgemäß wird die geerntete Algenbiomasse zur Extraktion der Sekundärmetabolite an einem Festkörpersubstrat immobilisiert und das Festkörpersubstrat mit der daran immobilisierten Algenbiomasse mit dem der Extraktion dienenden Lösungsmittel in Berührung gebracht. Die Immobilisierung der Algenbiomasse erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass diese in eine auf das Festkörpersubstrat aufgetragene poröse Schicht eingebettet wird.
  • Dazu weist das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise den im Folgenden im Detail dargestellten Ablauf auf.
    • 1. Die geerntete Algenbiomasse wird in einer wässrigen oder wässrigalkoholischen Dispersion eines Sols oder Solgemisches suspendiert, wobei nachfolgend vereinfachend im allgemeinen nur von einem Sol gesprochen werden soll, hiervon aber im Kontext der Beschreibung und der Patentansprüche stets auch die Möglichkeit der Verwendung eines Solgemisches umfasst sein soll. Bei dem Sol handelt es sich um eines (oder eben auch um ein Gemisch) der folgenden Sole: a.) Siliziumdioxid-Sol, b.) Metalloxid-Sol eines Metalls der 2. bis 5. Haupt- oder Nebengruppe, c.) organisch modifiziertes Sol eines der unter b) genannten Metalloxide, erhalten durch Hydrolyse des entsprechenden Metallalkoxids unter gleichzeitiger Zugabe eines Alkyl-trialkoxysilans oder eines Dialkoxydsilans.
    • 2. Mit dem Sol und der darin suspendierten Algenbiomasse wird ein Festkörpersubstrat beschichtet.
    • 3. Das in einem Sol-Gel-Prozess auf dem Festkörpersubstrat kondensierende und schließlich gelierende Sol mit der darin suspendierten Algenbiomasse wird getrocknet. Dabei wird die Algenbiomasse homogen in die Matrix des sich bildenden Gels eingebettet und auf dem Festkörpersubstrat bildet sich eine poröse, biologisch aktive Schicht.
    • 4. Das mit der biologisch aktiven Schicht versehene Festkörpersubstrat wird zur Extraktion der Sekundärmetabolite mit einem Lösungsmittel in Berührung gebracht. Dabei dringt das Lösungsmittel durch die Poren der biologisch aktiven Schicht zu der Algenbiomasse vor und durchdringt deren Zellwände, wobei die Sekundärmetabolite durch Diffusion aus der Algenbiomasse herausgelöst werden.
    • 5. Das mit den extrahierten Sekundärmetaboliten beladene Lösungsmittel wird schließlich abseits des Festkörpersubstrats und dessen biologisch aktiver Schicht verdampft. Nach dem Abdampfen des Lösungsmittels verbleiben die Sekundärmetabolite in dem dazu beispielsweise verwendeten Vakuum-Rotationsverdampfer.
  • In den Solen sind das Siliziumdioxid beziehungsweise das oder die Metalloxide als Nanopartikel enthalten. Das Verfahren macht es sich zunutze, das diese Nanopartikel das natürliche Bestreben zur dreidimensionalen Vernetzung und einem damit einhergehenden Partikelwachstum (als Sol-Gel-Prozess bezeichnet) haben, wobei das entsprechende Sol in ein Gel übergeht. Die Vernetzung beziehungsweise Gelierung des Sols auf dem mit ihm beschichteten Festkörpersubstrat beginnt bei geeigneten Umgebungsbedingungen, sobald das Substrat aus dem Sol, mit der darin erfindungsgemäß suspendierten Algenbiomasse entfernt wird und setzt sich im Zuge der im Punkt 3 angesprochenen Trocknung fort, wobei das Trocknen schließlich zur Ausbildung einer porösen Schicht auf dem Festkörpersubstrat führt, in welche die Algenbiomasse homogen eingebettet ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise so weitergebildet, dass die auf dem Festkörpersubstrat in die biologisch aktive Schicht eingebettete Algenbiomasse nach der Extraktion der Sekundärmetabolite erneut kultiviert wird und nach der hierdurch gegebenen Erholungsphase sowie einer sich daran, zur Stimulation einer vermehrten Bildung von Sekundärmetaboliten anschließenden Stressphase für eine erneute, in gleicher Weise erfolgende Extraktion zur Verfügung steht. Dieser gesamte Vorgang, also das erneute Kultivieren der weiterhin lebensfähigen Algenbiomasse sowie die erneute Extraktion der Sekundärmetabolite, kann aufgrund der vorteilhaften Verfahrensgestaltung und der damit verbundenen schonenden Extraktion gegebenenfalls mehrfach wiederholt werden. Gegenüber dem aus der EP 1 361 280 A1 bekannten Verfahren ist es dabei von Vorteil, dass für die Extraktion niedrig siedende Lösungsmittel, nämlich Lösungsmittel mit einer Siedetemperatur von 100°C und darunter, verwendet werden können. Hierdurch lässt sich das Lösungsmittel mit deutlich geringerem Aufwand von den mittels ihm herausgelösten Sekundärmetaboliten trennen. Vor der erneuten Kultivation der Algenbiomasse wird das Substrat mit der biologisch aktiven Schicht nach der Beendigung des Extraktionsvorgangs vorzugsweise durch Waschen mittels Leitungswasser vollständig entfernt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die biologisch aktive Schicht vor der erstmaligen Extraktion der Sekundärmetabolite noch mit einer oder mehreren Schutzschichten versehen. Dabei werden die Schutzschichten durch wiederholtes Aufbringen und Trocknen eines der auch zur Erzeugung der biologisch aktiven Schicht geeigneten Sole erzeugt, wobei dieses zur Erzeugung der Schutzschicht oder -schichten jedoch keine suspendierte Algenbiomasse enthält. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhafterweise dadurch weitergebildet, dass das zur Erzeugung der biologisch aktiven Schicht sowie der gegebenenfalls vorhandenen Schutzschichten verwendete Sol zur Steuerung der Porosität der jeweiligen Schicht und/oder zur Verbesserung der Vitalität der darin eingebetteten Algenbiomasse mit einem oder mehreren Additiven versetzt wird, auf deren Art später noch eingegangen werden soll.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vorzugsweise zur in vivo Extraktion von Carotinoiden aus Mikroalgen. Besonders bevorzugt ist seine Anwendung für die in vivo Extraktion von Astaxanthin aus Mikroalgen der Spezies Haematoccocus pluvialis. Im letztgenannten Falle kommen als Additive, welche dem Sol zur Steuerung der Porosität der späteren Schicht beigefügt werden, Mono- oder Disaccharide, vorzugsweise Sorbit oder/und Glucose oder/und Fructose in Betracht. Zumindest in Bezug auf Haematoccocus pluvialis haben dabei die letztgenannten Additive den Vorteil, dass durch ihre Zugabe nicht nur die Porosität der Schicht oder Schichten, im Hinblick auf ein sicheres Eindringen der zur Extraktion verwendeten Lösungsmittel, steuerbar ist. Vielmehr ist dieser Vorzug bei einem Einsatz des Verfahrens zur wiederholten Kultivation und Extraktion von Haematoccocus pluvialis mit einer Verbesserung der Vitalität der Algenbiomasse durch die Verwendung der Additive gepaart.
  • Als Träger beziehungsweise Substrat für die biologisch aktive Schicht dienen vorzugsweise Keramik oder Glas. Die Beschichtung des Substrats erfolgt vorzugsweise durch ein Dip-Coating-Verfahren beziehungsweise ein Tauchverfahren. Auch die Extraktion der Metabolite erfolgt vorzugsweise dadurch, dass das mit der biologisch aktiven Schicht versehene Substrat in das entsprechende, zur Extraktion verwendete Lösungsmittel eingetaucht wird. In Versuchen haben sich Ethylacetat, Tetrahydrofuran, tert-Buthylmethylether und Iso-Octan als besonders geeignete Lösungsmittel für eine die Lebensfähigkeit der Mikroalgen erhaltende Extraktion erwiesen. Das beschichtete Substrat wird zur Extraktion der Sekundärmetabolite in eines der genannten Lösungsmittel getaucht oder mit ihm umspült.
  • Wie bereits ausgeführt, lässt sich das Verfahren besonders vorteilhaft zur Gewinnung beziehungsweise in vivo Extraktion von Astaxanthin aus Haematoccocus pluvialis einsetzen, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Vielmehr kann das Verfahren auch für die Gewinnung von Antioxidanzien wie Beta-Carotin, Tocopherole und Superoxidismutase, aber auch zur Gewinnung von Proteinen mit einem hohen Anteil essentieller Aminosäuren oder von Fetten mit einem hohen Anteil mehrfach ungesättigter Fettsäuren, wie Arachidonsäure, Eicosapentaensäure und Docosahexaensäure, eingesetzt werden. Weiterhin ist die Gewinnung von Polysacchariden mit immunmodulatorischen Wirkungen sowie von Vitaminen, wie der B-Vitamine Thiamin, Riboflavin oder des Vitamins B12, aber auch des Vitamins E oder des Provitamin A möglich. Ferner kommt der Einsatz des Verfahrens zur Gewinnung von Photosynthesefarbstoffen, wie Chlorophyllen oder anderen Carotinoiden (Carotine, Xantrophylle), in Betracht. Auch zur Gewinnung wachstumsregulierender Wirkstoffe, wie Auxine, Gibberelline, Cytokinine, oder zur Gewinnung von restistenzinduzierenden Wirkstoffen beziehungsweise Stressbotenstoffen, wie Brassinosteroiden, Peptidhormonen, Octadecanoiden und Jasmonaten, kann das Verfahren vorteilhaft eingesetzt werden.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels nochmals erläutert werden. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Gewinnung von Astaxanthin aus Mikroalgen der Spezies Haematoccocus pluvialis, welche zuvor in bekannter Weise in einer Nährlösung kultiviert wurden. Zur Gewinnung der Sekundärmetabolite wird zunächst Algenbiomasse aus der zur Kultivation der Mikroalgen dienenden Nährlösung, beispielsweise gemäß der DE 101 36 645 B4 oder durch Aufkonzentrieren geerntet.
  • Danach wird die geerntete Algenbiomasse in einem geeigneten Sol beziehungsweise Solgemisch aus der eingangs genannten Gruppe von Solen suspendiert. Hierbei handelt es sich um Nanosole, wasserklare stabile Dispersionen in welchen Oxidpartikel nanodimensionaler Form (mit einem Durchmesser < 10nm) dispergiert sind. Die Dispersionen weisen vorzugsweise einen Feststoffgehalt bis zu 20 Gew.-% Oxid auf. Derartigen Nanosolen ist das Bestreben immanent, ihr sehr großes Oberflächen/Volumenverhältnis durch Partikelwachstum beziehungsweise dreidimensionale Vernetzung (Gelierung) zu reduzieren. Im Zuge dieses Sol-Gel-Prozesses wird die in dem Nanosol suspendierte Algenbiomasse in das Vernetzungsgitter homogen eingebettet. Wie bereits ausgeführt, kommen für die Durchführung des Verfahrens, das heißt insbesondere für die Bildung der auf das Substrat aufzubringenden Schicht mit der darin eingebetteten Biomasse unterschiedliche Sole in Betracht. Soweit es sich dabei um Sole von Metalloxiden handelt, kann der Hydrolyseprozess der Metallalkoxide zur Modifizierung der Sol-Gel-Schichteigenschaften in Gegenwart zugemischter Alkyl-trialkoxysilane R-Si(OR')3 und/oder Dialkoxysilane R2-Si(OR')2 durchgeführt werden. Im Zuge des Sol-Gel-Prozesses werden dabei modifizierte Metalloxidgele gebildet, die bezogen auf 1 Gewichtsanteil Metalloxidgel 0 bis 2 Gewichtsanteile R-SiO3/2 und/oder R2=SiO enthalten. R ist ein organischer Alkyl- oder Arylrest, der Amino-, Hydroxy-, Epoxy- oder Alkoxygruppen enthalten kann oder durch Halogene substituiert ist. R' ist ein Alkylrest, vorrangig mit 1-4 Kohlenstoffatomen.
  • Ein geeignetes Nanosol A wird beispielsweise wie folgt hergestellt. 90 ml Tetraethoxysilan, 300 ml 0,01 N Salzsäure, 600 ml H2O, 10 ml 3-Glycidyloxypropyl-triethoxysilan werden für 20h bei Raumtemperatur gerührt. Es entsteht ein saures Nanosol mit ca. 3,6% modifiziertem SiO2. Zu 1000 ml des so erhaltenden Nanosols werden 100 μl Addid 200 (Netzmittel) zugegeben und für 1 h bei Raumtemperatur gerührt. Man erhält ein bei Lagerung unter 5°C mehrere Wochen stabiles wässriges SiO2-Nanosol A.
  • Mittels dieses Nanosols A wird auf einem Substrat ein Algen-Biocerfilm beziehungsweise eine biologisch aktive, poröse Schicht beispielsweise wie folgt ausgebildet. Wässrige Suspensionen von Haematococcus pluvialis, werden in unterschiedlichen Konzentrationen und unterschiedlichen morphologischen Phasen mit dem Nanosol A unter mechanischen Rühren gemischt und nach Neutralisation mit 0,1 N Natronlauge durch Dip-Coating (Ziehgeschwindigkeit 30cm/min) Beschichtungen vorzugsweise auf Glas oder anderen Trägern hergestellt. Die beschichteten Träger werden für 1 h bei Raumtemperatur getrocknet. Man erhält ein Algen-Biocerfilm beziehungsweise eine biologisch aktive, poröse Schicht auf dem Substrat.
  • Auf diese Schicht können gegebenenfalls eine oder mehrere Schutzschichten wie folgt aufgebracht werden. Zu 1000 ml des wässrigen SiO2-Nanosol A werden 18g Sorbit zugesetzt. Das Nanosol wird für 1 h bei Raumtemperatur gerührt. Man erhält ein SiO2-Nanosol B. Der beziehungsweise die bereits mit dem Algen-Biocerfilm beschichteten Träger werden mit dem SiO2-Nanosol B durch Dip-Coating (Ziehgeschwindigkeit 30cm/min) beschichtet. Die beschichteten Träger werden für 1 h bei Raumtemperatur getrocknet. Man erhält ein Algen-Biocerfilm mit einer Schutzschicht. Das Aufbringen weiterer Schutzschichten verläuft analog. Auf diese Weise können bis zu 10 Schutzschichten auf den Algen-Biocerfilm aufgetragen werden.
  • Zur Extraktion des Astaxanthin aus in der vorbeschriebenen Weise in eine poröse Schicht eingebetteter Biomasse von Haematococcus pluvialis wird beispielsweise Ethylacetat als Lösungsmittel an das entsprechende Schichtsystem gebracht. Geeignet ist sowohl das Eintauchen der beschichteten Substrate in das Ethylacetat als auch ein Umströmen mit dem Lösungsmittel in einer dafür ausgebildeten Apparatur. Das Lösungsmittel wird auf diese Weise für eine Minute mit den beschichteten Substraten in Kontakt gebracht. Nach einer Minute wird das astaxanthinhaltige Lösungsmittel entfernt und weiterverarbeitet zur Astaxanthingewinnung. Die beschichteten Substrate beziehungsweise Träger (Biocere) werden mit Leitungswasser gewaschen, indem Wasser in die Apparatur gegeben wird, um letzte Reste an Lösungsmittel zu entfernen. Anschließend wird dieses Wasser aus der Apparatur entfernt. Die so behandelten Biocere werden nun in eine Kultivationsphase überführt. Dazu wird in die Extraktions-/Kultivationsapparatur mit den darin enthaltenen Bioceren Algennährmedium gefüllt, die Apparatur so positioniert, dass ein Lichteintrag auf die beschichteten Substrate von 60–80 μE/m2·s gewährleistet ist. Zur besseren Durchmischung der Nährlösung sowie eines geringen CO2-Eintrages in die Apparatur wird Luft in das System eingebracht. Diese Art der Kultivation wird für 5–7 Tage durchgeführt und dient als Erholungsphase für die auf den Substraten eingebettete Algenbiomasse nach der Extraktion. Dabei ist bei der Haematoccocus pluvialis – Biomasse ein teilweiser Farbwechsel von rot nach grün festzustellen. Danach wird das Algennährmedium aus der Apparatur entfernt und diese mit Leitungswasser befüllt. Die somit eingeleitete Stressphase wird durch die Exposition der Biocere mit einem erhöhten Lichteintrag von 150–170 μE/m2·s unterstützt. Die Kultivation in der Stressphase wird für 10–20 Tage eingehalten, danach kann ein weiterer Extraktionsvorgang erfolgen.

Claims (17)

  1. Verfahren zur Gewinnung von Sekundärmetaboliten aus Mikroalgen durch in vivo Extraktion, bei dem die Sekundärmetabolite mittels eines die Lebensfähigkeit der Mikroalgen erhaltenden Lösungsmittels aus den Mikroalgen extrahiert werden, wobei zunächst Algenbiomasse aus einer wässrigen, zur Kultivation der Mikroalgen dienenden Nährlösung geerntet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die geerntete Algenbiomasse an einem Festkörpersubstrat immobilisiert und das Festkörpersubstrat mit der daran immobilisierten Algenbiomasse zur Extraktion der Sekundärmetabolite mit dem Lösungsmittel in Berührung gebracht wird, wobei die Immobilisierung der Algenbiomasse erfolgt, indem diese in eine auf das Festkörpersubstrat aufgetragene poröse Schicht eingebettet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) Suspendieren der geernteten Algenbiomasse in einer wässrigen oder wässrig-alkoholischen Dispersion eines Sols, nämlich eines Sols oder eines Solgemisches aus der Gruppe nachfolgend genannter Sole (i.) Siliziumdioxid-Sol, (ii.) Metalloxid-Sol eines Metalls der 2. bis 5. Haupt- oder Nebengruppe, (iii.) organisch modifiziertes Sol eines der unter (ii) genannten Metalloxide, erhalten durch Hydrolyse des entsprechenden Metallalkoxids unter gleichzeitiger Zugabe eines Alkyltrialkoxysilans oder eines Dialkoxydsilans, b) Beschichten des Festkörpersubstrats mit dem Sol und der darin suspendierten Algenbiomasse, c) Trocknen des in einem Sol-Gel-Prozess auf dem Festkörpersubstrat kondensierenden und schließlich gelierenden Sols mit der darin suspendierten Algenbiomasse, wobei die Algenbiomasse homogen in die Matrix des sich bildenden Gels eingebettet wird und sich auf dem Festkörpersubstrat eine poröse, biologisch aktive Schicht bildet, d) in Berührung bringen des mit der biologisch aktiven Schicht versehenen Festkörpersubstrats mit einem organischen Lösungsmittel zur Extraktion der Sekundärmetabolite aus der in die Schicht eingebauten Algenbiomasse, wobei das Lösungsmittel durch die Poren der biologisch aktiven Schicht zu der Algenbiomasse vordringt, deren Zellwände durchdringt und die Sekundärmetabolite durch Diffusion aus der Algenbiomasse herauslöst, e) Verdampfen des mit den extrahierten Sekundärmetaboliten beladenen Lösungsmittels abseits des Festkörpersubstrats und dessen biologisch aktiver Schicht.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Festkörpersubstrat in die biologisch aktive Schicht eingebettete Algenbiomasse nach der Extraktion der Sekundärmetabolite in einer Nährlösung für mehrere Tage erneut kultiviert wird und nach der hierdurch gegebenen Erholungsphase und einer sich daran anschließenden Stressphase aus dieser erneut, in gleicher Weise, Sekundärmetabolite extrahiert werden, wobei die beiden vorgenannten Vorgänge mehrfach wiederholbar sind.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die biologisch aktive Schicht mit einer oder mehreren Schutzschichten versehen wird, wobei die ebenfalls porösen und von dem zur Extraktion eingesetzten Lösungsmittel durchdringbaren Schutzschichten durch wiederholtes Aufbringen und Trocknen eines der auch zur Erzeugung der biologisch aktiven Schicht geeigneten Sole erzeugt werden, wobei das Sol jedoch in diesem Falle keine suspendierte Algenbiomasse enthält.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Suspension der Algenbiomasse und Erzeugung der biologisch aktiven Schicht sowie zur Erzeugung der gegebenenfalls vorhandenen Schutzschicht oder -schichten verwendete Sol zur Steuerung der Porosität der jeweiligen nach dem Aufbringen des Sols auf das Festkörpersubstrat und dessen Trocknung entstehenden Schicht und/oder zur Verbesserung der Vitalität der Algenbiomasse mit einem oder mehren Additiven versetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den mittels des Verfahrens gewonnenen Sekundärmetaboliten um Carotinoide handelt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels diesem eine in vivo Extraktion von Astaxanthin aus Mikroalgen der Spezies Haematococcus pluvialis erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Additive für das zur Erzeugung der biologisch aktiven Schicht sowie zur Erzeugung der gegebenenfalls vorhandenen Schutzschichten dienende Sol Mono- oder Disaccharide, vorzugsweise Sorbit oder/und Glucose oder/und Fructose, verwendet werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel für die Extraktion der Sekundärmetabolite ein Lösungsmittel mit einer Siedetemperatur von höchstens 100°C verwendet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel ein Carbonsäureester, vorzugsweise Ethylacetat, verwendet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel cyclische Ether, vorzugsweise Tetrahydrofuran, verwendet werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel offenkettige Ether vorzugsweise tert-Butylmethylether, verwendet werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel flüssige Kohlenwasserstoffe, wie insbesondere Iso-Octan verwendet werden.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dass als Festkörpersubstrat ein Glassubstrat, ein Keramiksubstrat oder ein Kunststoffsubstrat verwendet wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Festkörpersubstrats mit der biologisch aktiven Schicht durch die Anwendung eines Tauchverfahrens, nämlich eines Dip-Coating-Verfahrens, erfolgt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichte Substrat zur Extraktion der Sekundärmetabolite in das jeweils verwendete Lösungsmittel eingetaucht wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichte Substrat zur Extraktion der Sekundärmetabolite mit dem jeweils verwendeten Lösungsmittel umspült wird.
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