ChiBio - Fraunhofer IGB

Zusammenfassung

Chitin ist eine der Hauptkomponenten des Außenskeletts von Arthropoden, wie Krabben, Hummern und Garnelen, und ist damit eines der meist verbreiteten Biopolymere der Welt. Das Anwendungspotenzial von Chitin und seinen Derivaten ist zwar groß, bisher aber noch nicht umgesetzt. In dem von der EU geförderten Projekt »ChiBio« hat daher ein internationales Forscherteam unter Leitung des Fraunhofer IGB neue Prozesse entwickelt, um chitinhaltigen Fischereiabfälle als Ausgangsstoff für die Herstellung von Spezial- und Feinchemikalien nutzen zu können. Nach dem Konzept einer Bioraffinerie soll dabei der Krabbenschalenabfall vollständig verwertet werden und verschiedene stoffliche (Monomere für biobasierte Polymere) und energetische Nutzungswege (Biogasgewinnung) entwickelt oder bestehende Prozesse verbessert werden. Das ChiBio-Konsortium setzt sich aus Forschungs- und Industriepartnern aus Norwegen, Österreich, Tschechien, Irland sowie Tunesien und Indonesien zusammen, um neben europäischen auch afrikanische und asiatische Fischereiabfälle als Rohstoffquelle nutzen zu können.

Projektinformationen

Projekttitel

ChiBio – Chitin aus Fischereiabfällen zur Herstellung von Spezialchemikalien

Projektlaufzeit

November 2011 – Oktober 2014

Kooperationspartner

Fraunhofer IGB, Stuttgart und Straubing (Koordinator)
Fraunhofer ICT, Pfinztal
TU München, AG Industrielle Biokatalyse, Garching
Clariant (ehemalige Süd-Chemie AG), Moosburg
Apronex Ltd., Prag (Tschechien)
Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz GmbH (Österreich)
Letterkenny Institute of Technology, Letterkenny (Irland)
Agricultural University of Norway UMB, As (Norwegen)
Institut National des Sciences et Technologies de la Mer, Karthago (Tunesien)
Earagail Eisc Teoranta, Carrick (Irland)
Evonik Industries AG, Essen
Biotech Surindo PT, Cirebon (Indonesien)

Projektergebnisse

Ausgangssituation und Projektziel

Bei der Verarbeitung von Krabben, Krebsen und Garnelen fallen große Mengen chitinhaltiger Schalenabfälle an. Weltweit landen jährlich mehr als 6 Mio Tonnen dieser Krebstierschalen auf dem Müll, davon schätzungsweise allein mehrere Hunderttausend Tonnen innerhalb der EU [1]. Eine fachgerechte Entsorgung der kontaminationsanfälligen Schalenabfälle ist aufgrund EU- und länderspezifischer Auflagen aufwendig und kostspielig.

Stabilisierung der Schalen und Mobilisierung von Chitin

In einem ersten Prozessschritt wurden Methoden erarbeitet, um die Schalenabfälle vorzubehandeln und zu stabilisieren, und dadurch lagerstabil und transportfähig zu machen. Ein weiterer wichtiger Prozessschritt ist die Mobilisierung von Chitin, einem N-haltigen Biopolymer. ChiBio hat hier unter Leitung des Letterkenny Institute of Technology Prozesslösungen zur schonenden Mobilisierung der Chitin-, Protein- und Lipidfraktionen auf Basis nachhaltiger chemischer, mikrobiologischer und enzymatischer Methoden entwickelt.

© Biotech Surindo
Schalen von Krebstieren fallen in großen Mengen als Abfall an.

Enzymatische Spaltung von Chitin

Ein weiterer elementarer Prozessschritt ist die Spaltung des Chitins oder des durch Deacetylierung gewonnenen Chitosan in seine monomeren Zuckereinheiten N-Acetylglucosamin bzw. Glucosamin. Bisherige chemokatalytische Verfahren sind nicht sonderlich nachhaltig. ChiBio hat deshalb biokatalytische Aufschlussverfahren entwickelt und verwendet dazu Chitin abbauende Enzyme aus prokaryotischen und eukaryotischen Organismen wie Trichoderma-, Aspergillus-, Bacillus- und Aeromonas-Stämmen. Besonders nützlich war hier die Expertise des norwegischen Partners Prof. Dr. Vincent Eijsink (UMB) im Umgang mit Enzymen aus der CBM33-Familie. Diese Enzyme erhöhen die Geschwindigkeiten des Chitinabbaus deutlich [3], müssen aber in einigen Fällen noch optimiert werden. Ergänzt wurden diese Arbeiten durch eigene Chitinasen und auch Chitin-Deacetylasen am Fraunhofer IGB in Stuttgart [4]. Ferner wurden die Enzym-Cocktails ideal aufeinander abgestimmt und an industrielle Prozessbedingungen bzw. Produktionsverfahren im technischen Maßstab angepasst.

Umsetzung von Glucosamin zu N-haltigen Polymeren

Die Chitin-/Chitosan-Abbauprodukte (Hydrolysate und Monomere) dienen als Substrate für biotechnologische Verfahren zur Herstellung von N-haltigen funktionalen Monomeren für die Polymerindustrie. N-haltige Verbindungen für die Herstellung von Polyamiden und Isocyanaten sind für die Polymerindustrie von besonderem Interesse und können bis dato nicht auf Basis nachwachsender Rohstoffe bereitgestellt werden. ChiBio hat hier zwei unterschiedliche Routen verfolgt: Die Arbeitsgruppe Industrielle Biokatalyse der TU München unter Leitung von Prof. Dr. Thomas Brück entwickelte optimierte Hefestämme, um die Chitin-Hydrolysate bzw. Glucosamin fermentativ zu funktionalisierten Fetten/Fettsäuren und den korrespondierenden Aminocarbonsäuren umzusetzen. In einem parallelen Ansatz arbeitete Bio-, Electro- und Chemokatalyse BioCat, Institutsteil Straubing des Fraunhofer IGB, mit Methoden der zellfreien Biotechnologie an einem Multienzymverfahren, um aus Glucosamin funktionalisierte Heterozyklen herzustellen. Ein Großteil der benötigten Enzyme steht mittlerweile rekombinant zur Verfügung und wurde mit Methoden des Enzym-Engineerings sukzessive optimiert. Die aufgereinigten Produkte beider Routen konnten dann als bifunktionale Monomere direkt in der Polymerindustrie eingesetzt werden.

Weitere Arbeiten

Effiziente Aufreinigungsmethoden wurden durch die ChiBio-Partner Clariant und das Fraunhofer ICT durchgeführt. Die Polymerisationsversuche mitsamt der Charakterisierung der Polymereigenschaften wurden in den Laboren der Evonik Industries AG durchgeführt. Anfallende biologische Nebenprodukte wie Proteine und Lipide wurden auf ihre Eignung als Substrate für die Biogasgewinnung untersucht.

ChiBio – Von Krabbenpanzern zur Rohstoffgewinnung, © euronews, Mai 2014

Literatur

[1] FAOSTAT, FAO statistical databases, fisheries data (2001) Food and Agriculture organization of the United Nations, Rome, Italy (http://www.fao.org)

[2] Kandra, P.; Challa, M. M.; Jyothi, H. K. P. (2012) Efficient use of shrimp waste: present and future trends, Appl Microbiol Biotechnol 93: 17-29

[3] Vaaje-Kolstad, G.; Westereng, B.; Horn, S. J.; Liu, Z.; Zhai, L. H.; Sorlie, M.; Eijsink, V.G.H. (2010) An oxidative enzyme boosting the enzymatic conversion of recalcitrant polysaccharides, Science 330: 219-222

[4] Moß, K. S.; Hartmann, S. C.; Müller, I.; Fritz, C.; Krügener, S.; Zibek, S.; Hirth, T.; Rupp, S. (2012) Amantichitinum ursilacus gen. nov., sp. nov., a chitin-degrading bacterium found at the Bärensee, Stuttgart, Germany, Int J Syst Evol Microbiol ijs. ijs.0.034447-0v1-ijs.0.034447-

Förderung

Die Forschungsarbeiten, die zu Ergebnissen in diesem Projekt führten, wurden gemäß der Finanzhilfevereinbarung Nr. 289284 im Zuge des Siebten Rahmenprogramms der Europäischen Union (RP7/2007-2013) gefördert.