Allianz Biotenside: Funktionsoptimierte Biotenside auf Basis von regional verfügbaren Rohstoffen durch optimierte biotechnologische Verfahren (Phase 2); Teilprojekt 13: Herstellung von Mannosylerythritollipiden und Hochskalierung von Biotensiden; gefördert im Rahmen der Innovationsinitiative Industrielle Biotechnologie

Abstract

Die Allianz Biotenside Die Innovationsallianz befasst sich mit dem Thema funktionsoptimierte Biotenside auf Basis von regional verfügbaren Rohstoffen durch optimierte biotechnologische Verfahren für die Herstellung von Produkten in den Bereichen Wasch- und Reinigungsmittel, Geschirrspülmittel, Kosmetik, Personal Care, Agronomie, Lebensmittel, Schmierstoffadditive und Löschmittel. Mit der Innovationsallianz Biotenside haben sich erstmals in Deutschland renommierte Firmen und Forschungseinrichtungen unter der Leitung von Dalli und dem Fraunhofer IGB in einer strategischen Allianz zusammengeschlossen, um Biotenside wirtschaftlich mit biotechnologischen Methoden aus heimischen nachwachsenden Roh- und Reststoffen herzustellen. Nach systematischer Untersuchung des Anwendungspotenzials werden die Herstellung und Aufreinigung der Biotenside so optimiert, dass diese in den Anwendungsbereichen Wasch- und Reinigungsmittel, Geschirrspülmittel, Kosmetik, Personal Care, Agronomie, Lebensmittel, Schmierstoffadditive und Löschmittel alternativ zu chemisch synthetisierten Tensiden eingesetzt werden können. Innerhalb der Innovationsallianz werden verschiedene Biotenside fermentativ oder enzymatisch hergestellt. Durch den Einsatz von unterschiedlichen Mikroorganismen, Enzymen und Rohstoffen, wie z. B. verschiedenen Zuckern und Fettsäuren unterschiedlicher Kettenlänge, können die hydrophilen Eigenschaften der Biotenside über einen weiten Bereich variiert und so die funktionellen Eigenschaften optimiert werden. Mithilfe dieser strukturbasierten Entwicklung sollen neue Biotensidmoleküle mit an die Anwendung angepassten funktionellen Eigenschaften definiert und hergestellt werden. In der ersten Projektphase wurden die neuen Biotensidmoleküle biotechnologisch hergestellt, die Prozesse für eine hohe Raum-Zeit-Ausbeute optimiert, effiziente Aufreinigungsverfahren entwickelt und von den Unternehmen im Konsortium bereits auf ihre Eigenschaften und spezifische Anwendung hin untersucht. Für die zweite Projektphase wurden dann die zu untersuchenden Biotenside auf die vielversprechendsten Kombinationen aus der ersten Projektphase reduziert und somit auf die Herstellung von Mannosylerythritollipiden MEL (3 Strukturvarianten), Cellobioselipiden CL (3 Varianten), Surfactin (1 Variante) und enzymatische Biotenside (2 Varianten) fokussiert. Die Herstellungsprozesse wurden zudem durch verschiedene Firmen mit technischen Weiterentwicklungen und Automatisierung unterstützt. Auch bei den Anwendungen wurde für die zweite Projektphase auf die vielversprechenden Ansätze aus der ersten Phase aufgebaut sowie neue Partner und Anwendungsbereiche hinzugewonnen. Über die gesamte Prozesskette hinweg erfolgte entwicklungsbegleitend eine Nachhaltigkeitsanalyse und -bewertung der verwendeten nachwachsenden Rohstoffe, der Herstellungsrozesse und möglicher Endprodukte sowie eine techno-ökonomische Bewertung, eine Bewertung der technologischen Reife der Prozesse und eine Bewertung der Marktrelevanz der entwickelten Produkte. Bei dem Projekt handelt es sich um eine strategische Allianz zwischen namhaften Industriefirmen (BASF, Dalli-Werke, Festo, Henkel, Oelheld, Metrohm, MyBiotech, Hermetia Baruth, Dr. Sthamer) und Forschungseinrichtungen (Fraunhofer IGB, KIT, Universitäten Hohenheim und Stuttgart). Arbeiten des Fraunhofer IGB in der Allianz Biotenside Das IGB konzentrierte sich in der zweiten Projektphase der Allianz Biotenside auf die Optimierung der Fermentation und Aufreinigung von MEL. Die fermentative Herstellung von MEL mit den für Phase 2 ausgewählten Stämmen 1 und 3 ist ein vielschichtiger Prozess, der auf die Entwicklung eines robusten Fermentationsverfahrens mit hoher Produktivität abzielt. In diesem Zusammenhang wurden mehrere Ansätze zur Optimierung des Herstellungsprozesses erfolgreich durchgeführt, wie z.B. die Nährmedienoptimierung für die verschiedenen MEL-Produzenten, Entwicklung von wachstumsentkoppelten fed-batch Prozessen, Generierung von biologischen und technischen Kenndaten der Fermentationsprozesse und Kriterienkatalogen zur Skalierung der Fermentationsprozesse, sowie die Musterherstellung von MEL für die Anwendungspartner. Neben der Fermentation wurden im Projekt auch die Optimierung und Skalierung der MEL-Aufreinigung erfolgreich durchgeführt. Hierbei wurden insbesondere die Volumenreduzierung durch verschiedene Verfahren wie Filtration oder Emulsionsspaltung bewertet und optimiert, die Phasentrennung bei der Flüssig-Flüssig-Extraktion untersucht und verbessert und verschiedene Lösemittelsysteme bei der abschließenden adsorptiven Reinigung der Biotenside evaluiert und das Verfahren skaliert. Ein weiteres wichtiges Ziel war die technische Weiterentwicklung und Automatisierung der Prozesse. Hierbei wurden neue Begasungs- und Sensoriksysteme sowie eine Raman-Spektroskopie zur Messung der MEL-Konzentrationen von den Projektpartnern entwickelt. Das IGB unterstützte durch Prozesswissen zur MEL-Herstellung und bei der Integration der einsatzreifen Technologien in den Fermentationsprozess. Auch die Nachhaltigkeit und die ökologischen Auswirkungen des Verfahrens wurden bewertet, was eine Lebenszyklusanalyse (LCA) sowie eine techno-ökonomische Bewertung (TEE) umfasste. Hier führte das IGB die software-gestützte TEE selbst durch und unterstützte bei der LCA mit Kenndaten und Prozesswissen zu der MEL-Fermentation sowie Aufreinigung. Das IGB koordinierte außerdem das wissenschaftliche Projektmanagement im Bereich der Berichtserstellung, Planung der Projekttreffen, Koordination der Mustermengenbereitstellung sowie der Öffentlichkeitsarbeit.