DE4317006A1

DE4317006A1 - Verfahren zur Kultivierung und Verwendung von Mikroalgen

Info

Publication number: DE4317006A1
Application number: DE4317006A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr Thieme; Horst Franke; Siegfried Prof Dr Jahn; Regina Storandt; Dreen Sparborth; Potsdam Dr Puls
Original assignee: Vieh & Fleisch GmbH
Current assignee: IGV INSTITUT FUER GETREIDEVERARBEITUNG GMBH, 14558
Priority date: 1993-05-17
Filing date: 1993-05-17
Publication date: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2013-05-18
Also published as: DE4317006C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kultivierung von Mikroalgen sowie deren Verwendung in Futtermitteln, die Art und Weise der Herstellung dieses Futtermittels sowie dessen Applikationen bei der Tierernährung.

Es ist bekannt, daß Mikroalgen Inhaltsstoffe enthalten, die für die menschliche und Tierer nährung sowie für die parenterale Applikation von großer Bedeutung sein können. Eine bedeutende Anzahl von Mikroalgen enthalten durchschnittlich mehr essentielle und nichtes sentielle Aminosäuren als konventionelle pflanzliche Proteinträger, wie Soja, Maiskleber, Luzerne und Brauereihefe. Diese bekannte Tatsache ist bei den Vitaminen, insbesondere bei Askorbinsäure noch deutlicher ausgeprägt.

Hier liegen die Gehalte bis um das 100fache höher als bei vergleichbaren konventionellen Futterstoffen. Neben den hohen Proteingehalten in einer Spanne zwischen 30 und 60%, die einen relevanten Leistungsfaktor in der Tierfütterung und -produktion darstellen können, enthalten bestimmte Mikroalgen eine Reihe weiterer wichtiger aktiver Stoffe. Dazu gehören aktive Pigmente, wie z. B. Karotinoide, Chlorophyll, Xanthophyll, Polyami ne sowie Mineralstoffe, Spurenelemente und mehrfach ungesättigte Fettsäuren. Es ist weiter bekannt, daß diesen Komponenten und den daraus entstehenden Stoffkomplexen Wirkungen eigen sind, die das Immunsystem stärken bzw. antimutagene und -teratogene Wirkungen initiieren.

Grundsätzlich können Mikroalgen als Proteinquelle in der Fütterung, aber auch als Biosti mulanz zur präventiven und akuten Verbesserung des Gesundheitszustandes, der Fruchtbar keit, des Massezuwachses von Kümmerern u. a. eingesetzt werden.

Es ist weiter bekannt, einen lyophilisierten Algenextrakt an in Großanlagen gehaltenen Schweinen unterschiedlicher Entwicklungsstadien erfolgreich zu injizieren. Dabei sind Algenrohmassen und behandelte Biomassen als Futterzusatzstoff mit annähernd gleichem Ergebnis eingesetzt worden. Die eingesetzten Algenextrakte verbesserten die Leistungen des Zuwachses an Vitalität in der Richtung der Morbidität, Mortalität und Fertilität.

Der bekannte Stand der Technik wird laufend durch das Auffinden neuer Wirkstoffe und Wirkprinzipien ergänzt.

Zusammenfassend ist zu bemerken, daß sich Zellinhaltsstoffe der Algen mit ihren Ge halten an Vitaminen, Farbstoffen, Lipiden, Proteinen positiv auf die Tiere, vor allem bei einer entsprechenden Zufütterung auswirken.

Insgesamt ist festzustellen, daß die Verwendung von

- Futtermitteln, allgemein, unspezifiziert
- Futtermittel für Fische und Krebse
- Futtermittel für Geflügel

bereits umfassend und in der einschlägigen Fachliteratur sowie in der Fachwelt hinrei chend bekannt ist.

Es ist bereits weiter oben dargestellt, daß bei monogastrischen Tieren die Verwendung von Mikroalgen bei der Fütterung vorgenommen wird, jedoch sind Dosierungsumfang und Zumischungsgrößen sowie Konzentrationsfaktoren bei der Zumischung nicht genau festge legt. Es wurde gefunden, daß unverträgliche Dosierungen von Mikroalgen in der BTM zu Erkrankungen der Tiere führen. So ist z. B. festgestellt worden, daß negative Symptome bereits bei 5% bis 10% BTM/kg Basisfutter zu Erkrankungen der Tiere führten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kultivierung von Mikroal gen, deren Verwendung bei der Herstellung von Futtermitteln und Futtermittelzusätzen die Futtermittel selber sowie deren Applikation als Futtermittelzusatz zu schaffen, welches es ermöglicht, Mikroalgen im Rahmen von verträglichen Parametern zu kultivieren und als Futtermittel zu präparieren, die Wirtschafflichkeit bei der Fütterung der Tiere zu steigern und die Sterblichkeitsrate der Tiere zu vermindern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kultivierung der Algen in offenen oder geschlossenen Systemen unter Kunst- bzw. Naturlichteinwirkung erfolgt, wobei während und nach der Kultivierung eine NH₃-Lösung zugesetzt wird, um eine hohe Stabilität des biologischen Materials in seiner Gesamtheit zu gewährleisten, das als Zusatz einem Futtermittel zugegeben wird. Die Nährlösung ist eine spezielle, mineralische Zusam menstellung, der entsprechende Zusätze, z. B. Se-Verbindungen oder stabilisierende Substanzen, wie NH₃-Lösungen, beigefügt werden können.

Als Futtermittelzusatzstoff können Chlorophyceae, insbesondere aber Chlorella vulgaris, wie o.g. kultiviert werden. Die Biomasseabtrennung erfolgt bei Konzentrationen von 1- 10 g BTM/l NL, vorzugsweise bei 5-7 g/l NL. Die Ernte erfolgt in semikontinuierlichem Betrieb.

Zur Stabilisierung des erhaltenen BM-Konzentrates (5-20% TM) wird eine Alkalisierung auf pH 8-12, vorzugsweise 9-10 vorgenommen.

Zur Stabilisierung werden mineralische Laugen vorzugsweise NH₃-Lösung, zugesetzt. Dieser Zusatz hat eine bakterizide Wirkung. Gleichzeitig werden damit bei der nachfolgen den Zelldesintegration durch die pH-Wertverschiebung die zelleigenen Enzyme inhibiert. Damit wird der Prozeß, z. B. der Proteolyse unterbunden bzw. stark eingeschränkt.

Der Zellaufschluß kann durch

- Enzyme
- mechanische Einwirkung, z. B. Kugelmühle
- Hochdruckhomogenisation (HDH)
- Ultraschall (US)
- Mikrowelle
- Temperatur
- Sprühtrocknung (SPT)

erfolgen.

Im Trocknungsschritt wird das NH₃ aus dem Biomasseschlamm ausgetrieben und aus dem Luftstrom ausgewaschen. Die so erhaltene NH₃-Lösung kann wieder, wie oben beschrie ben, eingesetzt werden.

Als Trocknungsverfahren können angewendet werden:

- Wirbelschichtgranulation (WSG)
- Sprühtrocknung (SPT)
- Gefriertrocknung (Vakuum) (GT).

Die Trocknung erfolgt unter definierten Bedingungen in einer determinierten Zeitregion. Bei Anwendung des WSG wird die Algenpaste direkt auf das Basisfutter oder eine Komponente davon aufgranuliert und danach in die gewünschte Endkonzentration aufge mischt.

Bei einer Sprüh- und Gefriertrocknung wird dem Basisfutter das Algenpulver trocken untergemischt.

Der Applikationsbereich umfaßt eine Fütterung aller nichtwiederkäuenden Tiere bzw. Wiederkäuer in spezifischen Entwicklungsphasen.

Das Zusatzfutter ist bei Nichtwiederkäuern in allen Altersbereichen der Tiere einsetzbar und bewirkt allgemein eine gesteigerte Vitalität und eine geminderte Infektanfälligkeit, des weiteren fördert es die Gesundung in der Phase der Rekonvaleszenz.

Allgemein gilt für die Dosierung des Fertigfutters unter Algenzusatz 1,0-10 g/Tier und Tag.

Algenpräparate können für mehrere Tierarten Verwendung finden. Es wird ein 0,7- 1%iger Algenzusatz im Futtermittel, bezogen auf Originalsubstanz mit etwa 87% Trocken substanz empfohlen.

- Fütterung an Ferkel
besonders vorteilhaft für Ferkel während und nach dem Absetzen von der Muttersau (etwa 3 Wochen)
- Fütterung an Läufer
Fortsetzung der Algenverfütterung bis etwa 25 kg Lebendgewicht
- Fütterung an Sauen
Einsatz an weiblichen Zuchttieren in einem wirksamen Zeitraum von insbesondere 14 Tagen vor und nach der Besamung und insbesondere 14 Tagen vor der Geburt zur Erhöhung der Fruchtbarkeits- und Aufzuchtleistungen
- Fütterung an Mastschweinen
Verfütterung bis unmittelbar vor der Schlachtung möglich, da keine Rückstände im Fleisch nachgewiesen werden konnten (biologischer Wirkstoff)
- Fütterung an Kälber
ernährungsphysiologisch günstig nach Beendigung der Kolostralperiode. Einsatz mit festen Futtermitteln (z. B. Kälberaufzuchtfuttermittel) bis zur Beendigung der Milchpe riode
- Fütterung an Geflügel
verwendbar für alle Geflügelarten zur Fleisch- und Eierproduktion.

Algenpräparate können direkt oder als Premix in Mischfuttermittel oder hofeigenen Futter mischungen untergemischt werden.

Das Futter wird trocken oder fließfähig angeboten.

Ausführungsbeispiele

1. Die Chlorophyceae, Chlorella vulgaris, Stamm A 34, Krienitz wurde patentgemäß mit folgenden Grundmedien kultiviert:
CO(NH₂)₂ 0,3 g/l
NH₄NO₃ 0,4 g/l
KH₂PO₄ 0,34 g/l
MgSO₄ 7 H₂O 0,5 g/l.

Zusätzlich wurde täglich niederprozentige NH₃-Lösung zugesetzt. Nach der Ernte wurde die Algenpaste auf pH 9,5 eingestellt und mittels Hochdruckhomogenisator bei 600 bar und 35°C desintegriert.

Im Anschluß daran erfolgte die Trocknung mittels WSG, wobei als Vorlage zur Granu lation ein unspezifisches Basisfutter oder eine Komponente davon dient.

Das Verhältnis Algenpaste zu Basisfutter betrug 0,5-1,5 : 1,5-3,0.

Bei einer nachfolgenden Einmischung in das Futter wurde ein Gehalt von 0,7-5% BTM/kg Basisfutter (Starter- bzw. Aufzuchtfutter) eingestellt.

Das so erhaltene Futter wird ca. 10-30 Tage in der Phase des Absetzens der Ferkel vom Muttertier als Trockenfutter verabreicht.

Im Ergebnis der Fütterungsversuche wurden:

- eine erhöhte Futteraufnahme/bessere Futterverwertung
- eine gesteigerte Lebendmasseproduktion
- eine positive Wirkung auf den allgemeinen Gesundheitszustand
- ein besseres betriebswirtschaffliches Ergebnis

festgestellt.

2. Kultivierung wie unter Beispiel 1.

Nach der Ernte wird auf einen Wert von pH 9,5 eingestellt und nachfolgend bei 90°C sprühgetrocknet bei einer mittleren Verweilzeit von ca. 1-5 sec.

Das so erhaltene Algenpulver wird in das Basisfutter (Starter/Aufzucht) zu 0,7-5% BTM/kg eingemischt.

Das so erhaltene Futter wird als Trockenfutter verabreicht.

Der Verabreichungszeitraum umfaßt mindestens 14 Tage vor der Besamung und 14 Tage während der Plazentationsphase, sowie mindestens 14 Tage vor der Geburt der Ferkel.

Infolge der Verabreichung wurde festgestellt:

- erhöhte Fruchtbarkeit
- erhöhte Ferkelanzahl/Sau
- erhöhte Anzahl der Lebendgeburten
- erhöhtes Geburtsgewicht
- erhöhte Anzahl aufzuchtsfähiger Ferkel.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß sowohl die ernährungsphysiologisch relevanten, als auch die das Immunsystem stimulierenden Komponenten via Intestinaltrakt aufgenommen und verwertet werden können. Die Versuchsergebnisse haben gezeigt, daß Schweine, die mit Algensuspension gefüttert wurden, höhere Wachstumsleistungen aufwei sen.

Algenmaterial, aufgeschlossen, zeigt signifikante, positive Resultate.

Diese Ergebnisse sind auf die sehr stabilen Zellwände der Mikroalgen Chlorella, Scenedes mus, usw. zurückzuführen, die eine Barriere für die Verdauungsenzyme der Monoga striden darstellen und somit den Verdauungstrakt größtenteils unbeeinflußt passieren. Indiz dafür ist die Steigerung der Verdaulichkeit, des Proteinansatzes, NPU usw. in Abhängig keit vom Desintegrationsgrad der Zellwand sowie von der Stabilisierung der wertvollen Inhaltsstoffe zur Erhöhung der Bioverfügbarkeit.

Es ist nachgewiesen, daß Walzentrocknung, Quetschungen und hydrothermischer Auf schluß statistisch gesichert verbesserte Verdaulichkeiten und Proteinansatzraten im Ver gleich zu unbehandelten Algenproben hervorrufen.

Weitere getestete Aufschlußverfahren, wie Sprühtrocknung, enzymatische Behandlung und Hochdruckhomogenisation zeigen ebenfalls höhere Verdaulichkeiten und Wachstumslei stungen im Vergleich zu unbehandelten Biomassen.

Generell kann eingeschätzt werden, daß ein umfassender Aufschluß unter Berücksichti gung der hitzeempfindlichen Vitamine und Aminosäuren sowie eine Stabilisierung der desintegrierten Algenbiomasse notwendig ist, um eine hohe Bioverfügbarkeit zu garan tieren.

Eine Überwindung dieser, den Algeneinsatz limiterenden Faktoren ist die Verwendung von Spezies mit weniger stabilen Zellwänden. Hier bietet sich, je nach Bedingungen, eine Verfütterung der Biomasse oder eine schonende Trocknung an.

In einer Ausgestaltung der Erfindung werden sowohl rohe Algenbiomassen der Species Chlorella vulgaris, als auch wirbelschichtgetrocknete (WST) und sprühgetrocknete Algen an Absatzferkel verfüttert. Bei 2 Varianten wurde vor der Trocknung eine 3malige Hoch druckhomogenisierung (HDH) gesetzt, um die festen Zellwände zu zerbrechen. Die Bio massevarianten wurden konventionellen Mischfutterarten beigemengt und bei Absatzfer keln eingesetzt.

Der Aufschlußgrad der hochdruckhomogenisierten Chlorella wurde mit optischen Me thoden überprüft.

Mit Hilfe des Rasterelektronenmikroskops wurden Strukturuntersuchungen an folgenden Chlorellavarianten durchgeführt:

1. Sprühtrocknung, unbehandelt
2. Sprühtrocknung, HDH
3. Gefriertrocknung, HDH
4. Starterfutter u. Chlorella, WST, unbehandelt
5. Aufzuchtfutter u. Chlorella, WST, unbehandelt
6. Aufzuchtfutter u. Chlorella, WST, HDH
7. Starterfutter u. Chlorella, WST, HDH.

Die Untersuchungen wiesen nach, daß lediglich Zelldeformationen und eine Maskierung (Überziehen) der Zellen durch Suspensionsbestandteile oder gelöste Mischfutterkomponen ten stattgefunden haben.

Inwieweit die HDH-Behandlung feine Risse an den Zellwänden verursachte und somit Angriffsflächen für Verdauungsenzyme schuf, kann wegen o.g. Maskierungseffekte nicht nachgewiesen werden.

Lichtmikroskopisch konnten diese Effekte bestätigt werden. Es waren größtenteils sphäri sche oder teilweise deformierte Zellen erkennbar.

Die Vorteile der Fütterung von Algen sind in folgenden Möglichkeiten enthalten.

Der hohe Gehalt an Proteinen (60% in der Trockensubstanz), Vitaminen und weiteren aktiven Stoffen in den Algen lassen diese für die Tierernährung interessant erscheinen. Biologischen und chemischen Untersuchungen folgte die Entwicklung technischer Verfah ren zur Herstellung größerer Mengen.

Die biologische Wertigkeit des Algeneiweißes entspricht bzw. übertrifft die der bekannten hochwertigen Pflanzenproteine.

Die zum Einsatz gelangten Algen sind in einer ökologisch arbeitenden Kreislaufanlage produziert worden. Es wird garantiert, daß die Algen relativ kontaminationsfrei sind und keine Genmanipulationen erfolgen. Somit wird ein natürlicher Wirkstoff erzeugt, und chemische Stoffe oder Antibiotika können in der Tierfütterung partiell abgelöst werden.

Die Zusammensetzung der Algen bezüglich Eiweiß, Spurenelementen, Vitaminen und anderen biologisch aktiven Stoffen der Algenpräparate haben einen positiven Effekt auf den physischen Zustand der Tiere, was in Produktionsversuchen bestätigt wurde.

1. Die Schmackhaftigkeit der Algensubstanz ist positiv, welche sich in einer bis zu 15,5% höheren Futteraufnahme der Tiere zeigt.
2. Durch die Verfütterung des Algenpräparates wurden bis zu 17,6% höhere Tageszu nahmen des Gewichtes der Tiere erreicht.
3. Das Futter wurde, bezogen auf die Lebendmasseproduktion, um 10% besser verwer tet.
4. Der Gesundheitszustand bei den Tieren mit Algenfütterung war stabiler, was sich in bis zu 9% geringeren negativ phänotypischen Abweichungen zeigte. Ebenso traten bis zu 5,5% weniger Verluste in der Tiergruppe auf.
5. Das ökonomische Ergebnis, ausgewiesen in der Kosten-Erlös-Rechnung, gestaltete sich um 12,5% günstiger.

Es wurde ein Futtermittelzusatzstoff auf Mikroalgenbasis entwickelt, der als Premix oder als Einmischung in handelsübliche Futtermittel eingesetzt werden kann.

Die Anwendung des Algenpräparates wird für mehrere Tierarten, besonders in kritischen Lebensphasen, wie Krankheit, Geburt und Absetzen empfohlen.

In der Schweineproduktion können Algensubstanzen in allen Haltungsstufen (Ferkel, Absetzer, Sauen, Mastschweine) zum Einsatz gelangen.

Das gilt auch für das Geflügel, einschließlich Puten, Gänse, Enten, wo positive Lei stungseffekte in der Fleisch- und Eierproduktion zu erwarten sind.

Bei Wiederkäuern wirkt die Anwendung im vorzugsweise Jugendalter leistungsverbes sernd.

Es wird ein 0,7-1%iger Algenzusatz im Futtermittel (bezogen auf Originalsubstanz) empfohlen.

Claims

1. Verfahren zur Kultivierung von Mikroalgen sowie deren Verwendung in Futtermit teln, die Herstellung dieser Futtermittel sowie dessen Applikationen in anderen Futtermitteln, bei der Tierernährung, gekennzeichnet dadurch, daß die Kultivie rung von Algen steril oder unsteril in offenen und geschlossenen Fermentern unter der Einwirkung von Natur- oder Kunstlicht vorgenommen wird, wobei während und nach der Kultivierung eine NH₃-Lösung zugesetzt wird, um eine hohe Stabilität des biologischen Materials in seiner Gesamtheit zu gewährleisten, das als Futtermittel verfüttert oder als Zusatz einem Futtermittel zugegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kultivierung von Mikroalgen der Klasse Chlorophyceae, insbesondere die Alge Chlorella vulgaris A 34 Krienitz, mit einem Nährlösungszusatz vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß zur Kultivierung die Mikroalge Chlorella vulgaris A 34 Krienitz, verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß eine Abdampfung des NH₃ aus der Mikroalgenmasse mit anschließender Trocknung erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Mikroalgenprodukt granuliert im Getreideschrot zugesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Algen als pulverförmige- und rieselfähige Biomasse ausgebildet und als trockene Zumischung einem Fertigfutter zugegeben wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Algen als fließfähige Biomasse ausgebildet, flüssigen Futtermitteln zugegeben werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Algen als aufgeschlämmte Biomasse verfüttert werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß als Anteil an Biomasse im Futtermittel 0,5%-5,0% zugegeben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß als Anteil an Bio masse im Futtermittel 0,70%-1,0% zugegeben wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die auf das Tier bezogene tägliche Dosis eines tierartspezifischen Futters 0, 1 g- 10,0 g beträgt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Algenbiomasse 100% als Zusatzfuttermittel zugegeben wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Verabreichungsform des Futters mit dem Algenzusatz trocken oder fließfä hig vorgenommen wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Zugabe des Futters mit Algenzusatz bis zum Erreichen eines Gewichtes von 25 kg erfolgt.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß der Einsatz des Futtermittels an weiblichen Zuchttieren in einem wirksamen Zeitraum vor und nach der Besamung sowie vor und nach der Geburt der Ferkel zur Erhöhung der Fruchtbarkeits- und Aufzuchtsleistung vorgenommen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, daß der Einsatz des Futter mittels an weiblichen Zuchttieren 14 Tage vor der Besamung vorgenommen wird.

17. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, daß der Einsatz des Futter mittels an weiblichen Zuchttieren 14 Tage vor und 14 Tage nach der Geburt der Ferkel erfolgt.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Verwendung des Futtermittels in einem ernährungsphysiologisch günstigen Zeitpunkt nach Beendigung der Kolostralperiode erfolgt.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß das Futtermittel für alle Geflügelarten, die zur Fleisch- und Eierproduktion gehalten werden, verwendet wird.