Wegbegleiter des Wandels in der boomenden Algenindustrie
08 Jul 2019
Algen sind eine reiche Quelle für mehrfach ungesättigte Fettsäuren, Proteine, Enzyme, Vitamine, Mineralien und Spurenelemente. Daher ist es nicht verwunderlich, dass Algen zu einem begehrten Rohstoff für zahlreiche Produkte in den Bereichen Pharma, Chemie und Lebensmittel geworden sind. Seit mehr als 50 Jahren begleitet GEA Start-ups und Algenproduzenten mit F&E-Unterstützung sowie Qualitäts- und Verarbeitungstechnologien, die strengen Industriestandards entsprechen.
Der wichtigste CO2-Verbraucher auf unserem Planeten, 1 Kilogramm Algenbiomasse, kann rund 2 Kilogramm CO2 speichern und gleichzeitig 1,6 Kilogramm Sauerstoff freisetzen. Neben dieser sehr wichtigen Aufgabe sind die Produkte, in denen Algen verwendet werden können, sehr vielfältig. Die Bandbreite reicht von Zahnpasta, Schuhcreme, Gesichtscreme, Tierfutter, Nahrungs- und Nahrungsergänzungsmitteln, natürlichen Lebensmittelfarbstoffen, Biodünger, Bodenverbesserern, Lösungen in der Abwasserbehandlung bis hin zu Bindemitteln für Schwermetalle. Und die Liste wächst stetig.
Algen, die nach Meeres- oder Süßwassergattungen unterschieden werden, werden zusätzlich auch nach Größe (Makro- oder Mikroalgen) und Farbe (Blau, Grün, Braun oder Rot) eingeteilt. Zu den Makroalgen gehören Seetang und Algenarten, die bis zu 50 Meter lang werden können. Mikroalgen, zu denen beispielsweise Chlorella und Spirulina gehören:
- sind in der Regel mikroskopisch kleine Einzeller (durchschnittliche Zellgröße zwischen 2 bis 10 Mikrometer);
- haben keine Wurzeln, Stängel oder Blätter;
- können in Photobioreaktoren (PBRs) oder in offenen Becken mithilfe von Abwasser kultiviert werden. Auch eine heterotrophe Kultivierung in Fermentern ist möglich. In dem Fall wird Energie in Form von Zucker anstatt Sonnenlicht zugeführt.
- Der Anbau kann auf Flächen erfolgen, die für den Anbau von Nahrungsmitteln ungeeignet sind. Daher stehen Algen nicht in Konkurrenz zur herkömmlichen Nahrungsmittelproduktion.
Die Verarbeitung oder Ernte ist notwendig, um die Algenbiomasse vom Wasser zu trennen. Das ist ein Aufgabengebiet, in dem GEA seit den 1960er Jahren mit Technologien zum Konzentrieren, Extrahieren und Waschen von Algen sowie zum Trocknen tätig ist.
Aus ernährungswissenschaftlicher Sicht sind Algen nur schwer zu schlagen. Fische, wie zum Beispiel Lachs, enthalten nützliche Omega-3-Fischöle, produzieren sie aber nicht auf natürliche Weise, sondern durch den Verzehr von Mikroalgen. Somit birgt das direkt aus der Alge gewonnene Öl immenses Potenzial, den weltweiten Bedarf zu decken und kann dazu beitragen, die globalen Fischbestände zu entlasten. Ein Beispiel dafür wäre der verstärkte Einsatz in Fischmehl. Ebenso ist zu erwarten, dass die steigende Nachfrage nach zuverlässigen, nachhaltigen und kostengünstigen Energiequellen und biologisch abbaubaren Kunststoffen ein wichtiger Faktor für ein Wachstum dieses attraktiven Sektors ist.
Vorsichtig, ganz vorsichtig: Behandlung der Algen, um die Überlebensrate zu erhöhen
Moderne Algenverarbeitung erfordert Zentrifugaltechnik, um die geernteten Algensuspensionen zu konzentrieren, zu extrahieren und zu reinigen. Aufgrund der biologischen Zusammensetzung der Algen sind Zentrifugen oft das einzige wirtschaftliche Mittel, um Mikroalgen effizient zu verarbeiten. Grund dafür ist der weitaus geringere Energiebedarf verglichen mit keramischer Membranfiltration. Bei herkömmlichen Rotationsvakuumfiltern wiederum kommt es aufgrund der Zellgröße häufig zu einem Festfressen und Blockieren des Filters.
Allerdings bedeutet eine Zentrifuge Zentrifugalkraft, und es kann schwierig sein, Algenzellen am Leben zu erhalten, während sie dem bis zu 15.000-fachen der Erdanziehungskraft ausgesetzt werden. Dabei gibt es genau zwei kritische Stellen: die Zellen in das Zentrifugalfeld hineinzubringen und sie wieder herauszuholen. GEA hat die Herausforderung, empfindliche Zellen in ein rotierendes System einzuspeisen, bereits vor vielen Jahren mit seinem patentierten hydrohermetischen Zulauf gelöst. Eine Scheibe am Ende des Einlaufrohrs speist die Zellen unter den Flüssigkeitsspiegel in der vorgefüllten Trommel. Soll ein Eimer mit Wasser gefüllt werden, ohne dass es spritzt, schiebt man das Schlauchende einfach in das Wasser, das bereits im Eimer ist. So lässt sich das Prinzip des hydrohermetischen Einlaufs vereinfacht erläutern.
Jetzt hat GEA eine Lösung entwickelt, um auch extrem scherempfindliche Zellen wie Diatomeen und Haptophyta schonend verarbeiten zu können. Die Herausforderung bei diesen Algenarten bestand darin, sie möglichst unbeschadet wieder aus dem Zentrifugalfeld herauszubekommen. Die meisten verarbeiteten Algen können problemlos bei voller oder reduzierter Trommeldrehzahl ausgetragen werden. Bei Diatomeen und Haptophyta jedoch betrug die Schädigungsrate selbst bei reduzierter Drehzahl bis zu 90 Prozent.
Die Zentrifuge konzentriert die Algenzellen und sammelt sie während des Betriebs im Feststoffraum. Der befindet sich in der Peripherie der Trommel und dort sind die Zentrifugalkräfte am größten. Der Schlüssel zur GEA-Lösung bestand darin, die Feststoffe während des Austrags zu verlangsamen und so die Geschwindigkeit zu reduzieren, mit der die Zellen gegen den Feststofffänger geschleudert werden. Wir brauchten sozusagen einen Bremsassistenten. Dies führte zur Entwicklung der GEA Hydro-Brake: gebremst wird mittels Flüssigkeitsvorhangs, durch den die Feststoffe ausgestoßen werden. Dazu sind eine Reihe von Sprühdüsen auf dem Fänger montiert. Sobald der Kolben aktiviert und damit die Trommel zum Austrag der angesammelten Algenzellen geöffnet wird, löst das Steuersystem die Düsen aus und ein Flüssigkeitsvorhang wird in den Fänger gesprüht. Dadurch wird die Ausstoßgeschwindigkeit der Feststoffe erheblich verlangsamt. Die verwendete Flüssigkeit ist in der Regel Wasser. Jedoch kann auch die getrennte Klarphase verwendet werden. Da die Düsen nur sehr kurz im Moment der Trommelöffnung sprühen, ist die Rückverdünnung der konzentrierten Algen vernachlässigbar.
Querschnittsansicht eines GEA-Separators mit Phasentrennung, einschließlich des Austragssystems.
Reduzierung der Verluste von 95 auf 2 Prozent mit dem neuen Bremsassistenten
Im Jahr 2018 startete die OP Bio Factory in Japan, die Naturprodukte aus dem Meer zur Nutzung in potenziellen Medikamenten und funktionellen Substanzen erforscht und entwickelt, mit dem Einsatz der neuen GEA Hydro-Brake. Mit dem herkömmlichen Austragsystem wurden 95 Prozent der Algenzellen des Kunden während der Entleerung geschädigt oder gar zerstört. Bei Versuchen mit unserem neuen Bremsassistenten konnten diese Verluste auf nur noch 2 Prozent reduziert werden. Die OP Bio Factory kann damit sicher und schonend selbst hochempfindlichste Algen mit Zentrifugalkraft aufkonzentrieren.
Partnerschaft zur Deckung der weltweit wachsenden Nachfrage nach Algenprodukten
Der Schlüssel für einen erfolgreichen Schritt vom Labormaßstab zur Pilot- bzw. Industrieanlage für Start-ups und Unternehmen der Algenindustrie ist häufig die Finanzierung. Investoren möchten Sicherheit, dass Rezepturen, Ausbeuten und Wirtschaftlichkeitsberechnungen, die im Labor ermittelt wurden, auch in großem Maßstab gelten. Schlüsselfaktoren sind dabei neben der Skalierbarkeit der Ergebnisse, wie Ausbeute oder Trockensubstanz, auch die Senkung des Energieverbrauchs und der Betriebskosten.
Seit 2015 zum Beispiel unterstützt GEA ein französisches Biotechnologie-Start-up, zunächst mit mobilen Versuchsmaschinen vor Ort. Gemeinsam mit dem Kunden entwickelte GEA ein maßgeschneidertes Verfahren, das hochwertige Biomasse aus Mikroalgen im industriellen Maßstab für den Einsatz in den Bereichen Tiernahrung, Lebensmittel und Kosmetik produziert. Dazu wird ein GEA viscon® Düsenseparator zur Konzentrierung der heterotroph gezüchteten Mikroalgen eingesetzt. Die spezielle viscon-Düse sorgt dabei für die Gewinnung eines sehr homogenen Algenkonzentrats mit maximaler Trockensubstanz, und das alles voll CIP-fähig.
Das niederländische Unternehmen Duplaco nutzt ebenfalls Trenntechnik-Know-how von GEA, um Chlorella-Mikroalgen mittels heterotropher Fermentation zu züchten und diese zur Herstellung gesunder Lebensmittel wie Smoothies, Algenburger oder Nudeln, in Nahrungsergänzungsmitteln oder Tierfutter einsetzen zu können. Die Lösungen von GEA tragen dazu bei, dass Duplaco Algenpulver und Nahrungsergänzungsmittel von hoher Qualität gewinnt und dabei Energiekosten und Produktionsaufwand minimiert.
Die frühzeitige Partnerschaft mit unseren Kunden ist entscheidend für die Entwicklung von Algengewinnungsverfahren, insbesondere angesichts der Forderungen nach Senkung von Produktions- und Stückkosten.“– Alexander Piek, Application Manager – Separation, Algen, GEA Renewables
– Alexander Piek, Application Manager – Separation, Algen, GEA Renewables
Ein weiteres Forschungsgebiet mehrerer Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft der EU ist die Raffination von Algen zur Unterstützung einer nachhaltigen Lebensmittelproduktion. Dazu ist 2016 das Projekt Sustainable Alge Biorefinery for Agriculture and Aquaculture (SABANA) gegründet worden, an dem sich auch GEA beteiligt. Als von der EU finanzierte Initiative Horizon 2020 hat das Team eine groß angelegte integrierte mikroalgenbasierte Bioraffinerie für die Herstellung von Futtermitteln und Futtermittelzusatzstoffen, einschließlich Biostimulatoren, Bio-Düngemitteln und Biopestiziden, entwickelt, indem es die technische, ökologische und soziale Machbarkeit der Herstellung wertvoller Algen-Nebenprodukte unter ausschließlicher Verwendung von Meer- und Abwasser als Nährstoffquelle nachgewiesen hat.*
Im Arbeitskreis Biopestizide züchtet, testet und verarbeitet das Team Algenstämme mit antimikrobiellen Wirkstoffen, die gegen verschiedene Pflanzenpathogene kämpfen. Um die sensible Biomasse zu verarbeiten, hat GEA Know-how und Equipment geliefert, darunter Zentrifugen zur Ernte und Konzentration der Mikroalgen, Homogenisatoren für den Zellaufschluss sowie einen Sprühtrockner für die Biomasse-Trocknung, damit die Wirkstoffe anschließend getestet werden können. Ergebnisse werden Ende 2021 vorliegen.
Röhren-Photobioreaktoren produzieren Mikroalgen in der SABANA R&D Demonstrationsanlage, IFAPA Forschungszentrum, Almeria, Spanien. Mit freundlicher Genehmigung: SABANA
GEA hat das richtige Know-how für den Job
Je nach Alge, Wachstumsbedingungen und Aufgabe bietet GEA mehrere Separatoren und Dekanter für den Konzentrierungsvorgang. Die Wahl eines Separators hängt außerdem von den zu verarbeitenden Kapazitäten, der Produktviskosität, dem Feststoffgehalt, dem pH-Wert in der Fermentationsbrühe und der Zellstruktur ab. Für die weitere Konzentration und Entwässerung von Biomasse oder die Klassierung von Mikroalgen ist ein GEA-Dekanter der nächste Schritt in der Verarbeitung.
Bei der Verarbeitung von Rot- und Grünalgen sind GEA-Homogenisatoren ideal. Sie liefern den extrem hochwertigen Rohstoff, der für Nahrungs- und Vitaminpräparate sowie Biomaterial oder Biokunststoffe benötigt wird. Diese Technologie gewährleistet zuverlässige und langlebige Komponenten, die aseptischen Anforderungen entsprechen, und Produkte, die alle Vorschriften erfüllen. Die Homogenisierung ist ein mechanischer Prozess, der die äußere Zellwand mit bis zu 1500 bar durchbricht, um die intrazelluläre Flüssigkeit freizusetzen. Es bietet Vorteile in Bezug auf Zuverlässigkeit und die Deckung der Gesamtbetriebskosten:
- Es ist ein schneller und kontinuierlicher Prozess.
- Die im Labor erzielten Ergebnisse sind zu 100 % im industriellen Maßstab reproduzierbar.
- Der Druck kann variiert werden, um den richtigen Grad des Zellbruchs zu finden.
- Es besteht keine Gefahr einer Kontamination des Produkts mit anderen Stoffen.
Während Zentrifugen einen Großteil des freien Wassers aus der Algensuspension entfernen können, erfordern einige Anwendungen eine Alge in Pulverform. GEA hat auch für diesen Prozessschritt die richtigen Trockner im Angebot, in diesem Fall Sprühtrockner. Trockenalgenpulver ist ein hochwertiges Protein und kann zum Beispiel als Zusatzstoff in der Tierernährung eingesetzt werden.
* Dieses Projekt wird gefördert von der Europäischen Union im Rahmen des Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm unter der Förderungsnummer 727874.
