Milchsäureproduktion aus Stärke

Bild 1: Milchsäurefermentation mit einer Mischkultur auf Maismehl.
Bild 1: Milchsäurefermentation mit einer Mischkultur auf Maismehl.

Nachwachsender Rohstoff Stärke – Chemischer Grundstoff Milchsäure

Stärke ist eine wichtige Speichersubstanz pflanzlicher Zellen. Als Hauptbestandteil von Getreide und Kartoffeln dient Stärke in erster Linie der menschlichen Ernährung. Als aus Glukose-Einheiten bestehendes Polysaccharid kann Stärke auch als nachwachsender Rohstoff für biotechnologische Prozesse genutzt werden. Im vorliegenden Fall soll mit Hilfe von Mikroorganismen Stärke aus Maismehl, eine kostengünstige Stärkequelle, über eine enzymatische Spaltung zu Glukose und diese zu Milchsäure umgesetzt werden. Milchsäure ist ein chemischer Grundstoff, der in chemischen Prozessen zu verschiedenen Endprodukten, im vorliegenden Fall – möglichst direkt aus der filtrierten Fermentationsbrühe heraus – zu Acrylsäure und 1,2-Propandiol umgewandelt werden kann.

 

 

Ziel: Ein-Schritt-Prozess

Der Prozess wird industriell in zwei Schritten durchgeführt: Der enzymatischen Spaltung der Stärke zu Glukose mit technischen Enzymen folgt die fermentative Umsetzung der Glukose in Milchsäure. Denkbar wäre auch ein Ein-Schritt-Prozess, bei dem die Stärke direkt von stärkespaltenden Mikroorganismen hydrolysiert wird und die resultierende Glukose in Milchsäure verstoffwechselt wird. Von Vorteil wäre, dass dieses Verfahren einfacher und kostengünstiger ist, da keine zusätzlichen Enzyme benötigt werden.

 

Stärkespaltender Stamm durch Screening

In einem Organismen-Screening wurde ein Milchsäurebakterien-Stamm gefunden, der komplexe Stärke wie Weizen- oder Maismehl mit hoher Ausbeute homofermentativ in Milchsäure umwandeln kann. Dieser stärkespaltende Organismus war in der Lage, auf der Basis von Maismehl eine Milchsäurekonzentration von 115 g / l zu erzielen (Bild 1). Diese hohen Konzentrationen wurden vorzugsweise in einer Mischkultur mit einem weiteren Milchsäurebakterium erreicht, das aus Glukose Milchsäure bildet. Der stärkespaltende Organismus selbst war bei hohen Milchsäure-Konzentrationen teilweise nicht in der Lage, die Glukose umzusetzen.

 

Zweiphasige Milchsäurefermentation auf Maismehl.
Bild 2: Zweiphasige Milchsäurefermentation auf Maismehl. Die Fermentation läuft zunächst bei pH 5,5. Dann wird die pH-Regelung ausgeschaltet sodass der pH in Richtung 4 fallen kann.

Zweistufiges Fermentationsverfahren

Bei der chemischen Weiterverarbeitung der Fermentationsbrühe zu Folgeprodukten ergab sich, dass für die Reaktion ein gewisser Anteil undissozierter Milchsäure vorhanden sein muss. Die Fermentation sollte demnach möglichst bei niedrigen pH-Werten gefahren werden, damit die undissoziierte Form der Milchsäure vorliegt. Da aber niedrige pH-Werte und hohe Anteile freier Milchsäure das Wachstum der Mikroorganismen stark hemmen, wurde ein zweiphasiges Fermentationsverfahren untersucht, bei dem ein Teil der Milchsäure pH-geregelt bei einem für das Wachstum optimalem pH-Wert produziert wird. Erst im zweiten Teil der Fermentation wird der pH-Wert auf etwa pH 4 ohne Regelung fallen.

 

Förderung: BMBF-Projekt »BioSysPro – Biobasierte Polymere als Produkt«

Das Verbundvorhaben »BioSysPro« wurde im Förderschwerpunkt »Nachhaltige Bioproduktion« des Rahmenprogramms »Forschung für Nachhaltigkeit« vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Ziel war es, Grundlagen für die biotechnologische Herstellung biobasierter Polymere und Synthesebausteine aus Rohstoffen wie Stärke, Cellulose, Lignin oder Chitin für Fein- und Spezialchemikalien zu erarbeiten. Beispiele am IGB waren die Gewinnung von N-substituierten Folgeprodukten aus Chitin und Acrylsäure aus Milchsäure. Neben verschiedenen Fraunhofer-Instituten waren auch Universitätsinstitute an dem Verbundprojekt beteiligt.