Biotenside – Herstellung und Optimierung

Tenside werden weltweit in einer Größenordnung von 18 Millionen Tonnen produziert und als Detergenzien, Emulgatoren, Dispergiermittel und Schaummittel in den unterschiedlichsten Bereichen, von der Textilindustrie bis zum Bergbau, eingesetzt. Tenside werden sowohl auf Basis fossiler Rohstoffe als auch aus nachwachsenden Rohstoffen, beispielsweise Palmöl, über chemische Verfahren synthetisiert. Die Strukturvielfalt solch chemisch hergestellter Tenside ist jedoch begrenzt und die Nachhaltigkeit der verwendeten tropischen Pflanzenöle wird derzeit kontrovers diskutiert.

Zellen des Brandpilzes Ustilago maydis

Zellen des Brandpilzes Ustilago maydis im haploiden, vegetativen Einzellstadium (links). Mannosylerythritollipide setzen sich bei hohen Produktkonzentrationen als ölartige Perlen ab (Mitte mit Strukturformel), Cellobioselipide als nadelförmige Kristalle (rechts, mit Strukturformel)

Biotenside – Mikrobiell produzierte Tenside

Mikroorganismen bilden unter natürlichen Bedingungen eine Vielzahl oberflächenaktiver Substanzen, sogenannte Biotenside, die ein breites Spektrum chemischer Strukturen abdecken. Dazu zählen u. a. Glykolipide, Lipopeptide, Lipoproteine und Heteropolysaccharide. Die Eigenschaften dieser Biotenside sind in Bezug auf Tensidwirkung und Abbaubarkeit mit vielen synthetischen Tensiden vergleichbar oder diesen sogar überlegen und daher für viele Anwendungsbereiche in der Industrie interessant.

Verbesserte Herstellungs- und Aufarbeitungsverfahren, leistungsfähigere Produktionsstämme und die gesteigerte Nachfrage nach »grünen« Produkten haben in den letzten Jahren einige Biotenside bis zur Marktreife gebracht. Ein Beispiel hierfür ist das Sophoroselipid aus Candida bombicola, das inzwischen von verschiedenen Tensidherstellern als Zusatz für Haushaltsreiniger und Geschirrspülmittel produziert wird.

Vielversprechende Glykolipide

Zwei Biotensidklassen, die sich ebenfalls als vielversprechende Detergenzien, Emulgatoren und Wirkstoffe in Kosmetika, Pflanzenschutz und industriellen Anwendungen herausgestellt haben, sind Cellobioselipide (CL) und Mannosylerythritollipide (MEL). Sie werden besonders  von Mikroorganismen aus der Familie der Brandpilzverwandten (Ustilaginaceae), wie zum Beispiel Ustilago oder Moesziomyces-Spezies, in größeren Mengen gebildet. Ihre antimikrobiellen Eigenschaften machen sie auch für den Einsatz im klinischen und pharmazeutischen Bereich interessant.

Für die industrielle Produktion dieser Biotenside sind jedoch noch Verbesserungen der Ausbeute bei der Fermentation sowie bei der Reproduzierbarkeit der Produktzusammensetzung erforderlich. Ziele dieser Untersuchungen sind daher einerseits eine Steigerung von Produktivität und Ausbeute sowie die Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen als Substrate.

Leistungsspektrum

  • Fermentation und Bereitstellung von Mustern fermentativ hergestellter Biotenside
  • Chemisch-enzymatische Modifizierung
  • Scale-up der Fermentation bis max. 10 m3 am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP, Leuna

Ziele und Strategien

Das Fraunhofer IGB beschäftigt sich mit der Optimierung der biotechnologischen Synthese von Glykolipiden, insbesondere von Cellobioselipiden (CL) und Mannosylerythritollipiden (MEL) unter Verwendung verschiedener Pilze und unterschiedlicher Substrate wie Mono- und Disaccharide, Pflanzenölen oder Reststoffen. So sollen maßgeschneiderte Strukturgemische entstehen und auf ihre anwendungsspezifische Eignung überprüft werden.

Ziele sind hierbei die Charakterisierung und Optimierung der mikrobiellen Biotenside für den Einsatz in Reinigungsmitteln, in Kosmetika oder für Spezialanwendungen in der Industrie sowie eine effiziente fermentative Produktion dieser Biotenside mit möglichst hohen Raum-Zeit-Ausbeuten. Für die Optimierung der Biotenside und des Fermentations- und Aufarbeitungsverfahrens verfolgen wir verschiedene Ansätze:

  • Aufklärung der gebildeten Biotensidstrukturen
  • Optimierung der Bioprozessführungsstrategien
  • Enzymatische Modifikation der produzierten Biotenside
  • Genetische Modifikation der spezifischen Stoffwechselwege der eingesetzten Mikroorganismen

Ergebnisse und Ausblick

Multifermentersystem zur Optimierung von Kultivierungsbedingungen

Durch Prozessoptimierung des Herstellungsverfahrens für die beiden Biotenside CL und MEL erreichen wir gegenwärtig Produktkonzentrationen von 20 g/l für CL und 50 g/l für MEL. Diese wurden vom Schüttelkolben in den Reaktormaßstab (1 L, 10 L) übertragen. Dabei wurden verschiedene Kultivierungsmethoden, Substrate und Aufarbeitungsstrategien untersucht.

Die derzeitig erzeugten Mengen reichen für umfassende anwendungstechnische Untersuchungen der jeweiligen Biotenside. Durch enzymatische und chemische Modifizierung wurden die hydrophilen bzw. hydrophoben Eigenschaften der erzeugten Glykolipide gezielt verändert und so die emulsionsstabilisierende Wirkung und Löslichkeit erhöht. Der Fermentationsprozess wird derzeit weiter verbessert, um eine Produktion mit möglichst hoher Raum-Zeit-Ausbeute zu erreichen.

Abtrennung der Schaumfraktion während der Fermentation, Ustilago maydis und Cellobioselipid-Kristalle, aufgereinigtes Cellobioselipid.

Strategien zur Schaumvermeidung

Bei MEL untersuchen wir gegenwärtig verschiedene Methoden, um die Schaumbildung bei der Fermentation zu vermeiden. Für CL konnten wir durch kontinuierliche Abtrennung des während der Fermentation entstehenden Schaumes eine Fraktion mit hoher Cellobioselipid-Konzentration sammeln. Wird diese Schaumfraktion direkt aufgereinigt, so benötigt man für die Extraktion der Cellobioselipide, im Vergleich zur herkömmlichen Aufreinigung des gesamten Reaktorinhalts, nur noch sieben Prozent der Lösemittelmenge.

 

Softwaregestützte Prozessoptimierung

Die einzelnen Prozessschritte werden nun mittels Lebenszyklusanalyse und einer techno-ökonomischen Evaluierung entwicklungs­begleitend bewertet. Für prozesstechnische Stellschrauben, die mithilfe dieser Bewertungen identifiziert werden, erfolgt danach eine experimentelle Validierung. Die hierdurch ermittelten Erkenntnisse dienen der stetigen Verbesserung der Ökonomie und Ökologie des Gesamtprozesses.

 

Ausblick

Parallel erforschen wir Genome und Transkriptome vielversprechender Produktionsstämme mit Next-Generation-Sequencing-Methoden, um den Biotensidmetabolismus und seine Regulationsmechanismen aufzuklären und über Metabolic Engineering das Produktspektrum und die Produktivität der Stämme zu verändern.

Referenzprojekte

Allianz Biotenside – Innovationsallianz Biotenside

Laufzeit: Januar 2018 – Dezember 2020

Ziel der Allianz ist es, funktionsoptimierte Biotenside wirtschaftlich mit biotechnologischen Methoden aus heimischen nachwachsenden Roh- und Reststoffen herzustellen. Die Herstellung und Aufreinigung solcher Biotenside sollen so optimiert werden, dass diese in den Anwendungsbereichen Wasch- und Reinigungsmittel, Kosmetik, Bioremediation, Pflanzenschutz und Lebensmittel alternativ zu chemisch synthetisierten Tensiden eingesetzt werden können.

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O4S – Organic for surfactants

Laufzeit: Januar 2012 – Dezember 2014

Das Projekt »Organic for surfactants (O4S)« zielt darauf ab, eine nachhaltige Alternative für chemisch und zumeist aus Erdöl hergestellte Tenside zu entwickeln.

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BioSurf – Biotenside aus Mikroorganismen

Laufzeit: 2011 – 2014

Im Projekt BioSurf entwickelt das Fraunhofer IGB mit seinen Projektpartnern Biotenside aus Mikroorganismen sowie enzymatisch hergestellte Tenside auf der Basis nachwachsender Rohstoffe.

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