Biotechnische Herstellung von Bernsteinsäure

Mehr als 15.000 Jahrestonnen Bernsteinsäure werden als Ausgangsstoff für Polyesterharze, Farbstoffe und Pharmazeutika heute ausschließlich auf petrochemischer Basis hergestellt. Die Projektpartner werden neue Hefestämme verfügbar machen, die Bernsteinsäure ausgehend von nachwachsenden Rohstoffen herstellen können und dabei Kohlen­dioxid binden. In parallelen Bioreaktoren unter technischen Bedingungen im Kleinstmaßstab wird ein entsprechender effizienter Bioprozess entwickelt.

Backhefe als Produktions­organismus
Im technischen Maßstab wird Bernsteinsäure heute ausschließlich chemisch durch katalytische Hydrierung von Maleinsäureanhydrid zu Bernsteinsäureanhydrid und nachfolgender Wasseranlagerung, beziehungsweise durch direkte katalytische Hydrierung von Malein­säure hergestellt. Für diese Verfahren sind Schwermetallkatalysatoren in organischen Lösungsmitteln bei hohen Temperaturen und hohen Drücken (bis zu 2,5 MPa) erforderlich.
Bernsteinsäure wird indes auch natür­licherweise von vielen Mikroorganismen, wie zum Beispiel der Backhefe Saccharo­myces cerevisiae, ausgehend von Zuckern oder Amino­säuren unter physiologischen Um­gebungs­bedingungen gebildet. Die Projekt­partner machen sich diese Tatsache zunutze, um Bernsteinsäure energie- und umwelt­schonend mit Hilfe der Backhefe aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen. Die OrganoBalance GmbH entwickelt dafür über gezieltes metabolisches Design einen Produktionsstamm, der große Mengen an Bernsteinsäure im Kultur­überstand anreichert.

Mikrodosierkopf zur Prozessoptimierung
Um zusammen mit dem bereits entwickelten Bioreaktorblock eine parallele Optimierung von Zulaufverfahren unter technischen Bedingungen zu erreichen, wird von der TU München und der DASGIP AG in Zusammenarbeit mit AW-E München ein Mikrodosierkopf für bis zu 48 parallele Bioreaktoren im Millimetermaßstab entwickelt. Dieser wird individuell und quasi-kontinuierlich Substrate und Titrationsmittel im Nanoliter- bis Mikrolitermaßstab in die parallelen Bioreaktoren dosieren. Auf diese Weise wird ein iterativer Optimierungsprozess der Bernsteinsäureproduktion möglich, der im Laufe der Stamm­entwicklung immer wieder der Untersuchung neuer Mutanten unter verschiedenen Reak­tionsbedingungen bedarf.

CO₂-Einsparung durch biotechnologischen Prozess
Das weitestgehend Kohlendioxid-neutrale biologische Verfahren lässt durch die Verwendung nachwachsender Rohstoffe anstelle der petrochemischen Synthese von Bernsteinsäure eine wesentliche Umweltentlastung und Ressourcenschonung erwarten. Weitere Umweltentlastungseffekte werden durch den Einsatz hochaktiver und hochselektiver sowie biologisch abbaubarer Biokatalysatoren, den Verzicht auf organische Lösungsmittel sowie die Nutzung milder Reaktionsbedingungen mit geringem Energiebedarf erzielt.

Projektthema
Mikrodosiertechnik zur Optimierung der umweltfreundlichen biotechnischen Herstellung von Bernsteinsäure

Projektdurchführung
Technische Universität München Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik
Prof. Dr.-Ing. Dirk Weuster-Botz
Boltzmannstr. 15
85748 Garching
Telefon 089|289-15712
Telefax 089|289-15714
d.weuster-botz@lrz.tum.de
www.mw.tum.de/biovt

Kooperationspartner
DASGIP AG, Jülich
www.dasgip.de
OrganoBalance GmbH, Berlin
www.organobalance.de
AW-E, München