Herstellung mikrobieller Biopolymere aus Reststoffströmen
Ziel der Arbeitsgruppe um Dr.Ing. Susanne Zibek war es, einen Prozess zu etablieren, mit dem man aus dem Prozesswasser der Thermodruckhydrolyse, das gelöste organische Verbindungen wie Carbonsäuren enthält, biotechnologisch Biopolymere wie Polyhydroxyalkanoate (PHA) herstellen kann. Hierzu wurden die Fermentationen optimiert, sodass die Mikroorganismen die gewünschten Polyhydroxyalkanoate (PHA) mit einem hohen Valeratanteil in Reaktormaßstäben bis zu 1 m³ produzierten.
PHA sind mikrobiell hergestellte Polyester. Die Biopolymere erfüllen für die Mikroorganismen die Funktion eines Kohlenstoffspeichers: Registriert ein Mikroorganismus Kohlenstoff, während der Mangel an einem anderen Element ihn am Wachstum hindert, lagert er den vorhandenen Kohlenstoff im Zellinneren als Polymer ein. Die Arbeitsgruppe macht sich dies zu Nutze, um mit geeigneten Bakterien verschiedene Ausgangsstoffe zu den vielseitigen PHA umzusetzen. Das spezifische PHA − und damit sein Eigenschaftsprofil − ist dabei stark vom eingesetzten Substrat und dem Produzenten abhängig. Dies ermöglicht es, Polymere zielgerichtet für verschiedene Anwendungsbereiche zu entwickeln.
Im Projekt lag der Fokus auf der biotechnologischen Produktion von kurzkettigen Monomeren (scl-PHA) mit einem hohen Valeratanteil, speziell auf der Entwicklung des scl-Copolymers Polyhydroxybutyrat-Co-Hydroxyvalerat (PHBV). Dies ist durch seine heterogene Komposition weniger kristallin als das spröde Grundpolymer Polyhydroxybutyrat (PHB) und damit elastischer. Hierzu galt es, die Fermentations- und Aufreinigungsprozesse zu optimieren, diese Prozesse bis zum 1000-Liter-Fermentationsmaßstab aufzuskalieren und den Projektpartnern an der Universität Stuttgart Mustermengen für die Kunststoffherstellung zu Verfügung zu stellen.
Für die Fermentation kam Lävulinsäure, ein nachhaltig produzierbares Derivat einer Carbonsäure zum Einsatz, aus dem der gewählte Organismus Cupriavidus necator das gewünschte Polymer herstellen kann. Durch das Zufütterungskonzept konnte die Fermentation genauso mit dem konzentriertem Prozesswasser der Thermodruckhydrolyse durchgeführt werden, das verschiedene Carbonsäuren und Zucker als Substrat für die Mikroorganismen enthält. Dies wurde im Labormaßstab gezeigt. Hierbei wurde neben Wachstums- und Toxizitätsversuchsreihen im Mikrobioreaktorsystem vor allem der Anteil an Carbonsäuren untersucht.
Ein Produktionsprozess für PHBV wurde hochskaliert, um ausreichend Mustermengen für Verarbeitung durch den Projektpartner zu erhalten. Der erhöhte Hydroxyvalerat-Anteil macht das Polymer flexibel und dehnbar.
Die derzeitige Aufreinigung von PHA nach dem Stand der Technik greift auf halogenierte Lösemittel zurück. Dies sollte im Projekt durch den Einsatz grüner Lösemittel geändert werden, um die PHA-Produktion tatsächlich als nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Plastikarten etablieren zu können.
Im Pilotmaßstab konnten mittels des entwickelten Prozesses und der verbesserten Aufreinigungstechnik in zwei Fermentationsläufen über 7 kg Rohpolymer mit außergewöhnlich hohen Hydroxyvalerat-Anteilen (> 60 Prozent) gewonnen werden.
PHA sind bioabbaubar und eignen sich zur Anwendung in verschiedenen Bereichen wie Pharmazeutika (Biofilm, Arzneimittelträger, Implantate), in der Verpackungsindustrie als Folien und Papierbeschichtungen sowie in landwirtschaftlichen Abdeckfolien.