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Extraction of bioactive primary and secondary Metabolites from Microalgae by atmospheric pressure Plasmas and pulsed Discharges in Water

  • Microalgae are aquatic, unicellular, eukaryotic organisms, which perform photosynthesis. They have gained interest within the last decades not only for biofuel production due to their high amount of lipids, but also for pharmaceutical and for nutraceutical purposes. Interesting compounds are proteins, carbohydrates, or pigments, such as carotenoids. However, microalgae possess strong and rigid cell walls, which hinder a sufficient and yet, gentle extraction of those valuable compounds. Although standard extraction techniques are available, several shortcomings occur, e.g. high energy demand, use of environmentally harmful solvents or alteration of compounds due to heat or chemicals. Therefore, an alternative method is needed, which is able to address these disadvantages. Physical plasmas were thus studied to answer the question whether they are able to disintegrate the cell walls of microalgae effectively and yet, without degradation of the extractives. First step of the thesis was to find a suitable plasma source that has an effect on the cell walls because plasma effects, such as electric fields, shockwaves, UV light emission, and the generation of reactive species can be tailored with the respective setup. It was found that spark discharges are most effective for the extraction of Chlorella vulgaris, which was chosen as model organism. All extraction yields were compared to reference methods, whereat microwave radiation was found to be the most effective reference method and were hence, applied for comparative studies. For the next step, proteins were selected as targets to answer the question, which differences can be determined between plasms-treated and microwave-radiated proteins are observable although the extraction yields were equal. Furthermore, plasma effects, especially the effects of reactive species on the extracted proteins had to be studied. Findings indicate that heat sensitive proteins, such as photosystem-related proteins, or histones are better extractable with spark discharges than with microwave exposure and the effect of reactive species is only minor. The last step was to determine, which plasma effect is responsible for the observed cell wall disintegration. Therefore, the tensile strength of Chlorella vulgaris was determined and compared to the shockwave pressure, which is generated from the spark channel. It was proven that the shockwave pressure exceeds by far the tensile strength of the microalgae an can be thus held responsible for mechanism for cell wall rupture. In this thesis, it was found that spark discharges are a promising alternative for the extraction of valuable compounds from microalgae. The discharges are not only effective, but also gentle enough for sensitive compounds, such as proteins or pigments.
  • Mikroalgen sind aquatische, einzellige, eukaryotische Organismen, die Photosynthese betreiben. Sie haben in den letzten Jahrzehnten nicht nur für die Herstellung von Biokraftstoffen aufgrund ihres hohen Lipidgehalts, sondern auch für pharmazeutische und diätetische Zwecke an Interesse gewonnen. Interessante Verbindungen sind Proteine, Kohlenhydrate oder Pigmente wie Carotinoide. Mikroalgen besitzen jedoch starke und starre Zellwände, die eine ausreichende und dennoch schonende Extraktion dieser wertvollen Verbindungen verhindern. Obwohl Standardextraktionstechniken verfügbar sind, treten verschiedene Mängel auf, z. B hoher Energiebedarf, Verwendung umweltschädlicher Lösungsmittel oder Veränderung der extrahierten Stoffe durch Hitze oder Chemikalien. Daher wird ein alternatives Verfahren benötigt, das diesen Nachteilen begegnen kann. Daher wurden physikalische Plasmen untersucht, um die Frage zu beantworten, ob diese in der Lage sind, die Zellwände von Mikroalgen effektiv und dennoch ohne Abbau der Extrakte aufzuschließen. Der erste Schritt der Arbeit bestand darin, eine geeignete Plasmaquelle zu finden, die sich auf die Zellwände auswirkt, da Plasmaeffekte wie elektrische Felder, Stoßwellen, UV-Lichtemission und die Erzeugung reaktiver Spezies auf den jeweiligen Aufbau abgestimmt werden können. Es wurde festgestellt, dass Funkenentladungen für die Extraktion von Chlorella vulgaris, welche als Modellalge ausgewählt wurde, am effektivsten sind. Alle Extraktionsausbeuten wurden mit Referenzmethoden verglichen, wobei sich Mikrowellenstrahlung als die effektivste Referenzmethode erwies und daher für Vergleichsstudien herangezogen wurden. Für den nächsten Schritt wurden Proteine als Zielsubstanzen ausgewählt, um die Frage zu beantworten, welche Unterschiede zwischen plasmabehandelten und mikrowellenbestrahlten Proteinen bei gleichen Extraktionsausbeuten zu beobachten sind. Darüber hinaus mussten Plasmaeffekte, insbesondere die Auswirkungen reaktiver Spezies auf die extrahierten Proteine untersucht werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass wärmeempfindliche Proteine, wie z.B. photosystembezogene Proteine oder Histone mit Funkenentladungen besser extrahiert werden können als mit Mikrowellen und der Einfluss reaktiver Spezies nur gering ist. Im letzten Schritt wurde ermittelt, welcher Plasmaeffekt für den beobachteten Zellwandaufbruch verantwortlich ist. Daher wurde die Zugfestigkeit von Chlorella vulgaris bestimmt und mit dem Stoßwellendruck verglichen, der durch den Funkenkanal erzeugt wird. Es wurde nachgewiesen, dass der Stoßwellendruck die Zugfestigkeit der Mikroalgen bei weitem übersteigt und somit für den Mechanismus des erfolgreichen Zellwandbruchs verantwortlich gemacht werden kann. In dieser Arbeit wurde festgestellt, dass Funkenentladungen eine vielversprechende Alternative zur Gewinnung wertvoller Substanzen aus Mikroalgen darstellen. Die Entladungen sind nicht nur effektiv, sondern auch schonend genug für empfindliche Verbindungen wie Proteine oder Pigmente.

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Metadaten
Author: Maria Katja Zocher
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-34358
Title Additional (German):Extraktion bioaktiver primärer und sekundärer Metabolite aus Mikroalgen mithilfe von Atmosphärendruckplasmen und gepulsten Entladungen in Wasser
Referee:Prof. Michael Lalk, Prof. Jürgen F. Kolb, Prof. Timo Niedermeyer
Advisor:Prof. Michael Lalk, Prof. Jürgen F. Kolb
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Date of first Publication:2019/12/13
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2019/12/03
Release Date:2019/12/13
Tag:Chlorella vulgaris, Proteomics, Shockwaves, spark discharges
GND Keyword:Atmosphärendruckplasma, Entladung, Extraktion, Mikroalgen
Pagenumber:116
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Pharmazie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie