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Holistic valorization of algal biomass
2024
Dissertation, RWTH Aachen University, 2024
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-01-10
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-01139
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/978110/files/978110.pdf
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570
Kurzfassung
Mit ihrer Fähigkeit, CO2 zu fixieren, stellen Mikroalgen ein vielversprechendes Ausgangsmaterial für die nachhaltige Produktion von wertvollen Verbindungen dar. Ein Verwertungsprozess für Algen erfordert einen effektiven Zellaufschluss, was bisher eine besondere Schwierigkeit darstellt. Besonders die Mikroalge Chlorella vulgaris hat eine robuste Zellwand. Die Strukturen, die dafür verantwortlich sind, wurden bisher wenig untersucht. Zudem konzentrieren sich die meisten Verwertungsprozesse auf Lipide um daraus Biokraftstoffe zu erzeugen, vernachlässigen jedoch wertvolle Proteine und Kohlenhydrate. In einem Bioraffineriekonzept wäre es vorteilhaft, alle drei Komponenten auf ungiftige und umweltfreundliche Weise zu verwerten. In dieser Arbeit werden verschiedene mechanische Methoden zum Zellaufschluss von C. vulgaris verglichen. Der Erfolg wird anhand der Freisetzung von Protein und Kohlenhydrat gemessen. Die French-Press-Behandlung erwies sich als die effektivste, da sie 27 wt% Protein und 13 wt% Kohlenhydrat der Gesamtbiomasse freisetzte. Außerdem wurden einstufige und mehrstufige chemische Behandlungen untersucht. Eine milde NaOH-katalysierte Hydrolyse erwies sich als besonders wirksam beim Zellaufschluss, was sich in einer Freisetzung von bis zu 44 wt% Protein und 14 wt% Kohlenhydrat zeigte. Der schrittweise Abbau, eine mehrstufige Behandlung unter immer harscheren Bedingungen, zeigte mögliche Bausteine für die robuste Zellwand: Glukosamin und Glukose als Bestandteile chitin-ähnlicher Polysaccharide und Zellulose. Die Ergebnisse dieser Arbeit könnten den Weg ebnen, die Zellwände von Mikroalgen mit spezifischeren Ansätzen aufzubrechen, um die Biomasse ganzheitlich zu verwerten. Auch wurden erste Schritte in Richtung einer ganzheitlichen Prozessentwicklung unternommen. C. vulgaris wurde in biphasischen Systemen behandelt, bestehend aus einer leicht basischen oder sauren reaktiven Phase und dem organischen Lösungsmittel 2-Methyltetrahydrofuran (MTHF) für die in-situ-Extraktion von Lipiden. In diesem einstufigen Verfahren wurden Chlorella-Zellen die Biomasse erfolgreich aufgeschlossen (bis zu 85 wt% ihrer Biomasse wurden gelöst, 44 wt% Proteine und 10 wt% Kohlenhydrate freigesetzt). Erste Experimente, bei denen neuartige stark eutektische Lösungsmittel (DES) zum Zellaufschluss und MTHF zur gleichzeitigen Extraktion von Lipiden kombiniert wurden, waren erfolgreich bei der Auflösung der Biomasse (bis zu 40 wt %) und zeigten Hürden bei der Aufarbeitung und der Analyse der in der DES-Phase gelösten Komponenten auf. Der Ansatz stellt einen guten Ausgangpunkt für weitere Untersuchungen dar.Being able to capture CO2 and use sunlight as an energy source, microalgae present an interesting feedstock for the sustainable production of valuable compounds. A valorization process for algae needs an effective cell disruption, which still presents a bottleneck in microalgal biorefineries. Especially the microalga Chlorella vulgaris has a recalcitrant cell wall, making it robust against environmental influences. The structures which are responsible for this robustness are not very well investigated so far. Besides that, most valorization processes have their focus on lipid extraction to produce fuels, neglecting valuable protein and carbohydrate. In a biorefinery concept, it would increase the feasibility to valorize all three components in a non-toxic, environmentally friendly way. In this work, different mechanical methods are evaluated for their ability to break up the cell wall of C. vulgaris. Success is measured by the release of protein and carbohydrate. French press treatment turned out to be the most efficient, solubilizing 27 wt% protein and 13 wt% carbohydrate of the total biomass. Moreover, various one-step and multi-step chemical treatments are investigated. Mild NaOH-catalyzed hydrolysis proved to be especially effective in cell disruption, indicated by a release of up to 44 wt% protein and 14 wt% carbohydrate of the total biomass. The stepwise degradation, a multi-step treatment with a series of chemicals with increasingly severe conditions, revealed possible factors for the recalcitrant cell wall: glucosamine and glucose as indicators for chitin-like polysaccharides and cellulose. The results gained in this work might pave the way for more specific efforts to disrupt rigid cell walled microalgae and holistically valorize the biomass. First steps were taken towards the development of a holistic biomass valorization process. C. vulgaris was treated in biphasic systems, consisting of a mild alkaline or acidic aqueous reactive phase in combination with the organic solvent 2-methyltetrahydrofuran (MTHF) as the second phase for the in-situ extraction of lipids. In this one-step process, biomass was successfully disrupted (up to 85 wt% of the biomass dissolved, 44 wt% protein and 10 wt% carbohydrate released). First experiments combining novel deep eutectic solvents (DES) to disrupt cell walls and MTHF to simultaneously extract lipids were successful in dissolving the biomass (up to 40 wt% with potassium carbonate:glycerol/MTHF), and identified hurdles in downstream processing and analysis of the components dissolved in the DES phase. However, the proof-of-concept approach presents a good starting point for further investigations.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030672644
Interne Identnummern
RWTH-2024-01139
Datensatz-ID: 978110
Beteiligte Länder
Germany
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