Enzymatische und Mikrobielle Synthese von Biotensiden auf der Basis von Lignocellulose
Enzymatische Synthese: Biotenside oder Bio-basierte Tenside werden aus natürlichen Rohstoffen hergestellt. Dazu können chemische, enzymatischen und mikrobiellen Verfahren zur Anwendung kommen. Durch die enzymatische Synthese von Biotensiden lassen sich interessante Produkte für die Bereiche Kosmetik, Pharma, Lebensmittel und Haushalt erschließen.
Im Rahmen dieses Teilprojektes soll bewertet werden, ob es möglich ist, ausgehend von verschiedenen Lignocellulosefraktionen durch enzymatische Synthesen neuartige, maßgeschneiderte Biotenside herzustellen. Diese Biotenside sollen eine ökologische und ökonomische Alternative zu den bisherigen Produkten darstellen, welche petrochemisch, oder auf Basis nachwachsender Rohstoffe, die in Konkurrenz zu Lebensmitteln stehen, hergestellt werden.
Zunächst werden zur Etablierung von Synthesemethoden und zur Analyse von Glycolipiden kommerziell erhältliche Zucker und Zuckeralkohole sowie verschiedene Fettsäuren und Fettsäurevinylesther verwendet. Später sollen von Kooperationspartnern im Forschungsprogramm bereitgestellte aufgeschlossene Lignocellulosefraktionen auf ihre Eignung als Ausgangsstoffe getestet werden. Diese können, je nach Aufschlussart, verschiedene Zucker, Zuckeralkohole- oder säuren, Terpene oder Aromaten enthalten. Auch Tallölfraktionen und Öle aus der Algenproduktion können verwendet werden.
Die synthetisierten Biotenside werden anhand von Dünnschichtchromatographie, Massenbestimmungsverfahren, NMR-Analysen sowie aufgrund ihren tensidischen Eigenschaften (z.B. CMC, HLB) charakterisiert.
Für die enzymatische Synthese werden zunächst bereits in der Literatur beschriebene Hydrolasen eingesetzt.
Mikrobielle Synthese: Bisher werden mikrobiell hergestellte Biotenside aus kommerziell erhältlicher Glucose und anderen Substraten erster Generation wie Melasse, Molke und Pflanzenölen produziert. Nachteile bei der Verwendung dieser Substrate sind die direkte Konkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion sowie ein vergleichsweise großer Bedarf an landwirtschaftlichen Nutzflächen. Lignozellulose-basierte Rohstoffe gewinnen dagegen auf wissenschaftlicher und industrieller Ebene zunehmend an Bedeutung, da sie die mit Abstand größte nachwachsende Kohlenstoffquelle darstellen und vergleichsweise preisgünstig sind.
Das Hauptziel des Projektes war es, Fermentationsverfahren für die mikrobielle Synthese von Biotensiden auf Basis von Lignozellulose-Substraten und Pflanzenölen zu entwickeln, die in den Pilot- und Produktionsmaßstab übertragen werden können.
Zunächst wurden verschiedene Öle und Lignozellulose-Hydrolysate auf ihre Eignung als Substrate zur Biosynthese des Biotensids Mannosylerythritollipid (MEL) mittels Pilzen aus der Familie der Ustilaginaceae untersucht. Es zeigte sich, dass durch die Wahl des Mikroorganismus MEL-Biotenside mit unterschiedlichen Strukturen und damit auch Eigenschaften hergestellt werden können. Die untersuchten Organismen zeichneten sich durch eine hohe Substrattoleranz aus. Es konnten sowohl C6- als auch C5-Zucker und verschiedene Pflanzenöle für die MEL-Synthese genutzt werden.
Für einen geeigneten Stamm erfolgte dann eine detailliertere Untersuchung der Regulation der MEL-Biosynthese mittels qPCR. Insbesondere die Art und Konzentration der Stickstoffquelle zeigte hier einen Einfluss auf die Produktion von MEL, wobei sich eine Stickstofflimitierung als positiv herausstellte. Darüber hinaus wurde der Herstellungsprozess in den Bioreaktor-Maßstab übertragen.
Insgesamt konnte also eine große Strukturvielfalt der MEL-Biotenside gezeigt werden, die damit für verschiedene Anwendungsbereiche genutzt werden können. Die erfolgreiche Übertragung des Prozesses in den Bioreaktor ist eine Voraussetzung für die Weiterentwicklung bis zum industriellen Maßstab in der Zukunft.
Projekttitel | Enzymatische und Mikrobielle Synthese von maßgeschneiderten Biotensiden auf der Basis von Lignozellulose |
Institutionen und beteiligte Wissenschaftler*innen | Prof. Dr. Christoph Syldatk, Dipl.-Biol. (t.o.) Sascha Siebenhaller Universität Stuttgart, Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP Dr. Steffen Rupp, Dr. Susanne Zibek, Alexander Beck |