Biotenside – Herstellung und Optimierung

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 Starmerella 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 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.

Kürzlich wurde auch eine weitere Klasse von mikrobiellen Biotensiden, die sog. Polyollipide (PL), in unserer Arbeitsgruppe untersucht. Diese können ebenfalls fermentativ mit Rhodotorula Spezies aus Zuckern hergestellt werden.

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 verschiedenen nachwachsenden Rohstoffen als Substrate.

• Fermentation und Bereitstellung von Mustern fermentativ hergestellter Biotenside
  
• Chemisch-enzymatische Modifizierung
  
• Scale-up der Fermentation bis 300 L am Fraunhofer IGB und bis max. 10 m³ am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP, Leuna
  
  

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
• Vereinfachung und Intensivierung der Aufreinigungsprozesse

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, 42 L) übertragen. Dabei wurden verschiedene Kultivierungsmethoden, Substrate und Aufarbeitungsstrategien untersucht.

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

Im Bereich des Downstream Processing (DSP) wurden verschiedene Verfahrensschritte wie Fest-Flüssig-Separation, Mikrofiltration, Aussalzen, Flüssig-Flüssig- sowie Fest-Flüssig-Extraktion untersucht und miteinander kombiniert, um möglichst reine Biotensidmuster für die Anwendungsuntersuchungen produzieren zu können.

Strategien zur Schaumvermeidung

Bei MEL untersuchen wir verschiedene Methoden, um die Schaumbildung bei der Fermentation zu vermeiden. Für CL konnten wir durch kontinuierliche Abtrennung des während der Fermentation entstehenden Schaumes mittels der sogenannten Schaumfraktionierung 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 wurden mittels Lebenszyklusanalyse und einer techno-ökonomischen Evaluierung entwicklungs­begleitend bewertet. Für prozesstechnische Stellschrauben, die mithilfe dieser Bewertungen identifiziert wurden, erfolgte eine experimentelle Validierung. Die hierdurch ermittelten Erkenntnisse dienten der stetigen Verbesserung der Ökonomie und Ökologie des Gesamtprozesses.

Ausblick

Gegenwärtig und zukünftig erforschen wir unterschiedliche Induktionsverfahren zur Steigerung der Biotensidsynthese, alternative Fermentationsrohstoffe auf Basis von Reststoffen, modellbasierte Regelungsstrategien für einen robusteren Fermentationsprozess sowie weiter intensivierte DSP-Verfahren, mit dem Ziel, die Ökonomie und Ökologie des Gesamtprozesses weiter zu steigern.