Hintergrund: Ressourceneffizienz
Ressourceneffizienz ist ein Maßstab zur Bewertung von Produktionsverfahren, der nicht nur für die Verwertung nachwachsender Rohstoffe an Land sondern auch für Meeresprodukte gilt. Dazu gehört die ganzheitliche Nutzung von marinen Produkten und der aus der Herstellung von Nahrungsmitteln resultierenden Abfallströme. Die Verwertung von Krustentierschalen beispielsweise bietet aufgrund des hohen jährlichen Aufkommens und der vielversprechenden Inhaltsstoffe eine Möglichkeit, Abfall zu vermeiden und gleichzeitig eine Plattform zur Synthese von Basischemikalien bereitzustellen. Ein vielversprechender Inhaltstoff ist das Chitin, welches nach Cellulose das zweithäufigste natürlich vorkommende Polysaccharid der Erde darstellt. In ostasiatischen Ländern wird das Chitin bereits zu Chitosan umgewandelt, um damit Folien, Filter oder Membranen herzustellen.
Enzym-Toolbox für Abbau von Chitin
Die Arbeitsgruppe »Industrielle Biotechnologie« beschäftigte sich innerhalb des Projektes mit der Entwicklung einer Enzym-Toolbox zur Degradation des Chitins in seine Oligo- und Monomere. Die Hydrolyse des Chitins wurde mit Chitinasen durchgeführt, die während der Kultivierung von Mikroorganismen in den Überstand sekretiert wurden. Unsere Arbeitsgruppe hatte zuvor in einem Selektions- und Anreicherungsprozess zwei Mikroorganismen identifiziert, die die Fähigkeit aufwiesen, Chitin als Substrat verwenden zu können. Der dazu von den Mikroorganismen sekretierte Enzymcocktail wurde separiert und konnte daher zur Chitinhydrolyse eingesetzt werden.
Um die Enzyme später auch gezielt in einem anderen Wirtsstamm mit höherem Titer herstellen zu können, müssen die Sequenzen bekannt sein. Daher wurde das Genom beider Mikroorganismen zunächst sequenziert. In-silico-Untersuchungen resultierten in der Identifikation von mehr als 20 relevanten Enzymen mit einer hohen Homologie zu chitinbindenden Domänen. Die Enzyme können nun separat zu einer gezielten Degradation des Chitins eingesetzt werden.
Verfahren zur wiederholten Nutzung der Enzyme
Zur weiteren biotechnologischen und chemischen Verarbeitung der Spaltprodukte sollten diese in einem hohen Aufreinigungsgrad vorliegen. Zudem besteht der Anspruch, ein ökonomisches Produktionsverfahren zu entwickeln, das auch skalierbar ist und somit keine Sackgasse auf dem Weg zum kommerziellen Prozess herstellt. Mitarbeiter unserer Arbeitsgruppe haben daher ein Prozess entwickelt, der die wiederholte Nutzung der chitinolytischen Enzyme ermöglicht, die Aktivität der Enzyme erhöht und gleichzeitig eine in-situ-Produktabtrennung garantiert. Neben der Anwendung zur Degradation des Chitins kann dieses Verfahren auch auf andere nicht-lösliche Naturstoffe wie z. B. Cellulose übertragen werden.
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
