Résumé:
Mikroalgen werden zunehmend als vielseitige Mikrofabriken für hochwertige Verbindungen wie natürliche Pigmente (z. B. Phycocyanin, Astaxanthin, β-Carotin), mehrfach ungesättigte Fettsäuren (DHA/EPA), bioaktive Proteine und Speziallipide wahrgenommen. Während sich die Kultivierungstechnologien in den letzten Jahren deutlich weiterentwickelt haben, stellt das Downstream Processing (DSP) nach wie vor den zentralen Engpass für die industrielle Umsetzung dar. In vielen Fällen entfallen 60 – 80 % der Gesamtkosten auf die Aufarbeitung, welche massgeblich Produktqualität, Ausbeute und somit auch die Marktfähigkeit bestimmt.
Eine besondere Herausforderung von Bioprozesse mit Mikroalgen liegt in der Kombination aus strukturell robusten Zellen und chemisch empfindlichen Zielmolekülen. Dicke oder stressinduzierte Zellwände, geringe Zellgrößen sowie niedrige Biomassekonzentrationen erschweren Ernte und Zellaufschluss. Gleichzeitig sind viele Zielverbindungen gegenüber Oxidation, Scherkräften, erhöhten Temperaturen oder ungünstigen pH-Werten empfindlich. Konventionelle Methoden der Aufarbeitung (z. B. Hochdruckhomogenisierung oder energieintensive Trocknung) können daher zu Produktdegradation und wirtschaftlichen Nachteilen führen.
Unser Beitrag stellt einen produktgetriebenen Ansatz zur Entwicklung massgeschneiderter Downstream-Strategien für mikroalgenbasierte Bioprozesse vor. Dabei wird zwischen extrazellulären, intrazellulären hydrophilen und intrazellulären hydrophoben Produkten differenziert und die molekularen Eigenschaften sowie die zelluläre Lokalisation mit geeigneten Ernte-, Aufschluss- und Extraktionskonzepten verknüpft. Schonende Verfahren wie enzymatischer oder osmotischer Zellaufschluss, wässrige Zweiphasensysteme, Nass-Extraktionsrouten sowie überkritische CO?-Extraktion werden konventionellen mechanischen Methoden gegenübergestellt. Ein besonderer Fokus liegt auf der Minimierung des Energieeinsatzes, der Vermeidung unnötiger Trocknungsschritte sowie der selektiven Fraktionierung im Sinne integrierter Bioraffineriekonzepte.
Durch die Anpassung des Downstream-Designs an Produktsensitivität und Wertschöpfung können die Ausbeuten erhöht, die Bioaktivität erhalten und die Gesamtprozessökonomie verbessert werden.
Die Präsentation diskutiert konzeptionelle Optionen und praxisrelevante Aspekte zur industriellen Umsetzung und unterstreicht, dass hochwertige Produkte nicht nur innovative Kultivierungsstrategien, sondern ebenso sorgfältig entwickelte, selektive und ökonomisch kohärente Downstream-Lösungen erfordern.
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