Allianz Biotenside: Funktionsoptimierte Biotenside auf Basis von regional verfügbaren Rohstoffen durch optimierte biotechnologische Verfahren (Phase 2); Teilprojekt 16: Herstellung von Cellobioselipiden und die Entwicklung einer Schaumfraktionierung

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, ifm, Henkel, Oelheld, Metrohm, MyBiotech, Hermetia Baruth, Dr. Sthamer) und Forschungseinrichtungen (Fraunhofer IGB, KIT, Universitäten Hohenheim und Stuttgart). Arbeiten des IGVP der Universität Stuttgart in der Allianz Biotenside: Das Teilprojekt des IGVP der Universität Stuttgart hatte zum Ziel, die Herstellung des Biotensids Cellobioselipide (CL) durch die Entwicklung robuster Fermentationsprozesse zu optimieren. Hierbei wurde eine hohe Raum-Zeit-Ausbeute und Produktivität angestrebt, unterstützt durch Nährmedienoptimierung und gezielte Zufütterungsstrategien. Die Generierung umfassender biologischer und technischer Kenndaten war entscheidend für die Skalierung dieser Prozesse. Ein zentraler Aspekt war zudem die Optimierung der Aufreinigungsverfahren, wobei bestehende Methoden vereinfacht und charakterisiert wurden. Die systematische Variation von Lösungsmittelverhältnissen und die Untersuchung verschiedener Ansätze zur alkalischen Modifikation konnten die Reinheit und Ausbeute der Produkte verbessern. Zudem wurde die Schaumfraktionierung als innovative Methode zur in-situ Abtrennung von Cellobioselipiden entwickelt und erfolgreich integriert, um die Effizienz der Prozesse zu steigern. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der technischen Weiterentwicklung und Automatisierung der Fermentations- und Aufarbeitungsprozesse. Hierzu gehörten die Minimierung des Kopfraums im Reaktor und die Erfassung der Schaumbildungskinetik, um die Prozessstabilität und -steuerung zu verbessern. Das Projekt umfasste außerdem eine umfassende Nachhaltigkeitsbewertung der verwendeten Rohstoffe, Prozesse und Produkte. Durch Lebenszyklusanalyse (LCA) und techno-ökonomische Evaluierung (TEE) sollten die ökologischen und ökonomischen Auswirkungen der entwickelten Prozesse analysiert und optimiert werden. Ziel war es hierbei, durch iterative Modellbildung und die Nutzung experimenteller Daten, optimale Verfahrensalternativen für eine nachhaltige und effiziente Biotensidproduktion zu identifizieren, die den Anforderungen der Industrie und der Umwelt gerecht werden.