Produktion von 1,3-Propandiol aus Rohglycerin

Bild 1: Mikroskopische Aufnahme des strikt anaeroben Bakteriums Clostridium diolis.

Bild 2: Glycerinstoffwechsel solventogener Clostridien (nach Bock 2004). Das Hauptprodukt bei C. diolis ist der chemische Grundstoff Propandiol.

Bei der Herstellung von Biodiesel aus Rapsöl entsteht Glycerin als Nebenprodukt der Umesterung der Pflanzenöle. Das Rohglycerin liegt als 80prozentige viskose Flüssigkeit vor, enthält noch Fettsäuren und Salze bei einem pH-Wert von 11. 1,3-Propandiol ist ein chemischer Grundstoff, der z. B. zur Herstellung von Polyestern verwendet wird. Bislang wird er durch chemische Synthese hergestellt. Es gibt aber einige Mikroorganismen, die Glycerin zu 1,3-Propandiol umsetzen können. Einer dieser Organismen ist Clostridium diolis, ein strikt anaerober Sporenbildner (Bild 1), der Propandiol als Hauptprodukt wachstumsgekoppelt in vergleichsweise hoher Ausbeute produziert. Weitere Produkte sind Buttersäure, Essigsäure und Milchsäure sowie die Gase Kohlendioxid und Wasserstoff (Bild 2). Die Ausbeute an 1,3-Propandiol bezogen auf das eingesetzte Substrat liegt bei etwa 50 Prozent (w/w).

 

Ziel: Entwicklung eines Fermentationsverfahrens mit Rohglycerin

Zur Entwicklung eines Fermentationsverfahrens haben wir zunächst Batch-Versuche mit verschiedenen Glycerinen und Glycerin-Konzentrationen durchgeführt. Das Medium enthält ansonsten nur noch Glucose, Phosphatsalze und Hefeextrakt. Zunächst war nur auf reinem Glycerin, nicht aber auf Rohglycerin, Wachstum und Propandiol-Bildung festzustellen. Werden die Fettsäuren jedoch nach Ausfällung bei niedrigen pH-Werten abgetrennt, so ist auch das Rohglycerin als Fermentationssubstrat geeignet. Die maximale Startkonzentration liegt bei etwa 40 g/l Glycerin, damit lassen sich dann 20 g/l 1,3-Propandiol erzielen. Sowohl Glycerin als auch die Produkte, insbesondere Propandiol, hemmen bei höheren Konzentrationen das Wachstum der Mikroorganismen.

Bild 3: Kontinuierliche Fermentation von Clostridium diolis auf Rohglycerin über 2000 Stunden.

Bild 3: Kontinuierliche Fermentation von Clostridium diolis auf Rohglycerin über 2000 Stunden.

Höhere Produktkonzentration durch kontinuierliche Betriebsführung

Um höhere Produktkonzentrationen erzielen zu können, haben wir den Batch-Betrieb des Fermenters durch weitere Substratzugabe in einen Fed-Batch-Betrieb überführt und damit eine Propandiolkonzentration von 40 g/l erreicht. Hier kam der Prozess zum Stillstand, vermutlich durch die gemeinsame Hemmwirkung des nicht verbrauchten Glycerins und des produzierten Propandiols. Der Fed-Batch-Prozess ist zudem relativ instabil, da die Organismen auf die Konzentrationsschwankungen der Mediumbestandteile beim Nachfüttern mit Wachstumsverzögerung, lag-Phasen, reagieren. Die kontinuierliche Betriebsführung erwies sich als erfolgreicher. Bei annäherndem Vollumsatz des Glycerins entfällt dessen Hemmwirkung. Auf diese Weise konnten wir bislang eine maximale Produktkonzentration von 42 bis 50 g/l erzielen (Bild 3). Die Fermentationsprozesse erwiesen sich bei konstanter Produktivität über mehrere 1000 Stunden weitgehend stabil.

Ausblick

Wir haben geplant, den Prozess mit speziell auf hohe Produktkonzentrationen selektionierten Mikroorganismen weiter zu verbessern. Weitere Optimierungsmöglichleiten ergeben sich durch Hochzelldichte-Fermentationen mit integrierter Biomasserückhaltung im Bioreaktor.

Förderung

Ende 2005 startete das von der Fraunhofer-Gesellschaft finanzierte marktorientierte Vorlaufforschungsprojekt »BioProChem« mit einem Verbund von acht Fraunhofer-Instituten. Ausgehend vom nachwachsenden Rohstoff Rapsöl wurden zwei Herstellungswege für biobasierte Grundstoffe für die chemische Industrie untersucht. Am Fraunhofer IGB wurden die fermentative Umwandlung von Fettsäuren in Dicarbonsäuren inklusive der Stammentwicklung und die fermentative Bildung von 1,3-Propandiol aus dem Rohglycerin der Biodieselherstellung bearbeitet.