Assessment of innovative downstream processing methods for microalgal β-carotene production

Abstract

In a time characterized by the constantly increasing environmental impact of industrial activities and a rising demand for food and energy, a more effective exploitation of biomass as well as alternative production strategies are asked for. One potential approach to meet these challenges is the cultivation of microalgae. Since decades, the producers of biomass and high-value products complement the product portfolio of chemical and agriculture industry. So far, only a few species are used commercially. Moreover, there is a great potential of process optimization to enhance the performance of several process steps in microalgal production and getting more competitive compared to conventional production plants. Especially the optimization of the downstreaming route bears the potential to realize huge energy and cost savings. The present work evaluates several innovative approaches for the downstream route of industrial Beta-carotene production with Dunaliella salina based on experimental efforts and a profitability analysis. Therefore, a realistic reference process scheme is introduced providing a benchmark for comparison with the investigated process alternatives. The reference process is characterized by the biomass and product generation in open ponds, a dewatering step using centrifugation and a pigment extraction unit by the organic solvent hexane. Aiming for the reduction of the high cost of centrifugation energy, flocculation was examined as potential preconcentration method of D. salina. So far, flocculation is primarily used to separate a liquid product from waste particles. To assess its applicability for Beta-carotene production, diverse strategies were analyzed, namely flocculation by cationic metal ions by means of metal salt addition or electrolysis as well as flocculation by pH increase. Among all investigated flocculants, FeCl3 and NaOH performed most effective. However, with respect to interactions of the flocculant with other process steps, NaOH revealed inhibitory effects on medium recycling and product extraction yields. The calculation of energy demands and operating costs demonstrated, that flocculation is not a favorable preconcentration strategy for D. salina biomass. In addition, supercritical CO2 (scCO2) extraction was compared with conventional hexane extraction. According to pilot scale examinations, a parameter set-up using 500 bar and 70 °C results in the most effcient extraction. Moreover, the addition of 10% ethanol as entrainer of the solvent stream significantly increased the product yield. The calculation of the techno-economic properties indicated a higher energy consumption of scCO2 which is however compensated by lower solvent costs. Thereby comparable Beta-carotene production costs to the reference method with hexane were estimated. The green solvent scCO2 and its co-solvent ethanol are rated to be more environmental friendly and more appropriate for application in the food and medical sector. Accordingly, scCO2 is recommended for the extraction of the pigment from D. salina biomass. Finally, the potential of mild hydrothermal liquefaction (mHTL) to valorize biomass remnants after Beta-carotene extraction was discussed. The large carbohydrate fraction of the residuals was recovered in the aqueous reaction phase already at hydrolysis conditions. Here, the main-product was a glucose-rich solution which was successfully applied as carbon source of diverse microorganisms with biotechnological relevance. The techno-economic analysis indicated the beneficial effect of a process plant expansion by the unit of mHTL on the overall process economic. It was demonstrated, that a low energy input allows the production of a valuable by-product and an optimal exploitation of the biomass waste in the process. With these findings, first steps were done towards the realization of a holistic biorefinery concept which creates an economic as well as ecologic added-value in the Beta-carotene process. In conclusion, the underlying thesis highlights the optimized interaction of experimental and techno-economic analyses for the realistic assessment of innovative technologies in marine biotechnology. Triggered by the application of the species-specific experimental data, a reliable evaluation of the potential of all investigated downstreaming techniques as well as the consideration of interactions between process units were possible. With that, a new evaluation concept was introduced and successfully verified based on the example of industrial Beta-carotene production.

In einer Zeit von steigender Umweltbelastung infolge industrieller Aktivit äten und zunehmender Nahrungsmittelknappheit ist die effektive Ausnutzung nachwachsender Rohstoffe und die Etablierung alternativer Produktionskonzepte unabdingbar geworden. Ein möglicher Ansatz diesen Problembereich zu adressieren, ist die industrielle Kultivierung von Mikroalgen. Diese Produzenten von Biomasse und hochpreisigen Gütern ergänzen nunmehr seit Jahrzehnten das Produktportfolio konventioneller Prozesse aus Landwirtschaft und chemischer Industrie. Jedoch werden derzeit nur wenige Mikroalgen-Spezies industriell genutzt. Zudem existiert ein enormer Optimierungsbedarf der einzelnen Prozessschritte, um bestehende und zuk ünftige Produktionsanlagen wettbewerbsfähig zu gestalten und Algen als gängige Produktionsorganismen zu etablieren. Bei der Umsetzung dieser Vision kann vor allem die Verwendung geeigneterer Methoden der Downstream Prozessroute zu beträchtlichen Einsparungen von Kosten und Energiebedarfen führen. In der vorliegenden Arbeit werden innovative Alternativen für die Aufarbeitungsstrecke industrieller Beta-Carotin Produktion durch die grüne Mikroalge Dunaliella salina experimentell analysiert und auf ihre Wirtschaftlichkeit vor dem Hintergrund des Gesamtprozesses bewertet. Dazu wird zunächst ein realitätsnahes Referenzprozessschema vorgestellt, das als Vergleichsgrundlage der untersuchten Methoden dient. Mit dem Ziel, die hohen Erntekosten durch Zentrifugation zu reduzieren, wurde als erstes die Flockung als potentielle Vorkonzentrationsmethode untersucht. Um die Anwendbarkeit der Methode im Beta-Carotin-Prozess zu bewerten, wurden unterschiedliche Flockungsstrategien analysiert: die Flockung mithilfe multivalenter Metall-Kationen durch Zugabe von Metallsalzen oder die Anwendung von Elektrolyse sowie die Flockung durch pH-Wert Erhöhung. Des Weiteren konnte der Einfluss dieses Prozessschrittes auf andere Schritte im Gesamtprozess gezeigt werden. Unter allen Flockungsmitteln erwiesen sich FeCl3 und NaOH als besonders e ektiv. Dabei wirkte sich letzteres negativ auf den Mediumrecycle, als auch auf die Beta-Carotin Extraktion aus. Die Kalkulation des Energiebedarfes und der Betriebskosten bestätigte die Untauglichkeit der Flockung als Vorkonzentrationsstrategie in der D. salina Produktion. Im nächsten Schritt wurde die überkritische CO2 (scCO2) Extraktion mit der konventionellen Hexan-Extraktion verglichen. In einer experimentellen Studie im Pilotmaÿstab stellten sich die Betriebsparameter 500 bar und 70 °C als vielversprechend dar. Zudem verbesserte der Zusatz von 10% Ethanol als Kosolvent die Produktausbeute merklich. Die finale Bewertung der Methode durch die Berechnung von Energieverbräuchen und Operationskosten ergab, dass die Nutzung von scCO2 zwar höhere Energiekosten aber vergleichbare Prozesskosten zum Referenzlösungsmittel Hexane verursacht. Das grüne Lösungsmittel und sein Kosolvent werden aufgrund ihres weniger umweltschädlichen Charakters als nachhaltiger und unbedenklicher beim Einsatz im Nahrungsmittel- und Medizinsektor eingestuft. Somit empfiehlt sich sein Einsatz bei derBeta -Carotin Extraktion algaler Biomasse. Im letzten Teil der Arbeit wurde die milde hydrothermale Verflüssigung als potentielles Verfahren zur Aufwertung vorhandener Restbiomasse im Prozess diskutiert. Der hohe Kohlenhydratgehalt der Restbiomasse konnte bereits unter Hydrolysebedingungen effektiv in das wässrige Reaktionsprodukt extrahiert werden. Dabei wurde hauptsächlich Glukose gebildet, die in Form der wässrigen Phase als Kohlenstoffquelle verschiedener Produktionsorganismen der Biotechnologie eingesetzt werden konnte. Die techno- ökonomische Analyse ergab, dass sich diese Prozesserweiterung vorteilhaft auf die Prozess-Ökonomie auswirken kann. Zum einen kann durch einen geringen Energieaufwand ein wertvolles Nebenprodukt hoher Relevanz für den Markt erzeugt werden; zum anderen erlaubt die Methode eine optimale Verwertung der Restbiomasse. So wurden erste Schritte in Richtung eines Bioraffinerie-Konzeptes realisiert, welches sowohl einen ökologischen als auch ökonomischen Mehrwert erzielen kann. Zusammenfassend betrachtet, veranschaulicht die vorliegende Arbeit das optimale Zusammenspiel experimenteller Analysen mit techno-ökonomischer Betrachtungen zur realitätsnahen Bewertung innovativer Prozessstrategien in der Algenbiotechnologie. Durch Integration der spezies-spezifischen experimentellen Daten konnten die tatsächlichen Potentiale der einzelnen Methoden im Hintergrund des Gesamtprozesses eingeschätzt und Abhängigkeiten zwischen den Verfahrensschritten berücksichtigt werden. Hierfür wurde ein neues Evaluierungskonzept vorgestellt, das erfolgreich am Beispiel der industriellen Beta-Carotin Produktion verifiziert werden konnte.