Projekt 13210/01

örderschwerpunkt Biotechnologie: ChemBioTec: Innovatives biotechnologisches Verfahren zur Herstellung eines natürlichen Vernetzungsmittels aus Ernteabfällen der Olivenproduktion zur Modifikation und Stabilisierung von Proteinen und Zuckerderivaten f[…]

Projektdurchführung

N-Zyme BioTec GmbH
Riedstr. 7
64295 Darmstadt

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei der Herstellung von Tafeloliven und Olivenöl entsteht alleine in Europa etwa 30.000.000 Tonnen Olivenabfall, der einen hohen Anteil polyphenolischer Substanzen aufweist und zu erheblichen Umweltbelastungen in den olivenanbauenden Regionen führt. Im Fokus des Projektes stand die biokatalytische Aktivierung von spezifischen sekundären Inhaltsstoffen aus Olivenreststoffen, welche für zahlreiche Applikationen eingesetzt werden können. Es wird erwartet, dass die aktivierten Moleküle ein dem Glutaraldehyd vergleichbares Anwendungspotential aufweisen, dessen Herstellung aber vom Verbrauch fossiler Brennstoffe abhängig ist. Nach Entwicklung eines ökonomischen und nachhaltigen Herstellungsverfahrens sollen verschiedene Produktformulierungen für z. B. Lebensmittel- und Kosmetikapplikationen her-gestellt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAusgehend von Olivenrestströmen wurde im ersten Projektabschnitt nach technologischer und ökonomischer Bewertung eines von zwei Aktivierungsverfahren (enzymatisch oder fermentativ) in den technischen Maßstab überführt (1. Meilenstein). Basierend auf dem favorisierten Verfahren und nach Etablierung eines geeigneten Anreicherungsverfahrens wurden Produktformulierungen (1 und 2) für Lebensmittel- und Kosmetikapplikationen hergestellt. Bis zum Statusseminar (Meilenstein 2) war das Prozessdesign zur enzymatischen Herstellung weitestgehend generiert. Von den Produktformulierungen wurden Anwendungsversuche und toxikologische Fragestellungen in Zusammenarbeit mit der Universität Hamburg und der Fa. Harlan RCC durchgeführt. In enger Zusammenarbeit mit der Fa. Biozoon entstand ein reproduzierbarer, scale-up-fähiger Prozess, der die Rohstoffquelle, die Aktivierung und die Produktanreicherung zu stabilen flüssigen oder pulvrigen Formulierungen ermöglicht und der unter ökologischen und ökonomischen Aspekten nach Projektende in den industriellen Maßstab überführt werden kann. Eine Ökoeffizienzanalyse wurde von der Fa. IFU-Hamburg durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Projektes wurden zahlreiche Kontakte zur Olivenindustrie im Mittelmeerraum, insbesondere nach Spanien geschlossen, um die Verfügbarkeit der Olivenreststoffe sowie deren Qualität zu sichern. Zusätzlich zum Projektplan wurde bei N-Zyme BioTec ein wässriges Extraktionsverfahren entwickelt, mit dem gute Ausbeuten sowie eine Anreicherung von Oleuropein möglich sind. Mit dem eigenen Extrakt können Rohstoffschwankungen kompensiert und die Grundlage zur Herstellung standardisierter Produkte gelegt werden.
Die biokatalytische Aktivierung von Oleuropein zum Oleuropein-Aglykon konnte sowohl mittels fermentativer wie auch enzymatischer Aktivierung gezeigt werden. Zur Auswahl geeigneter Mikroorganismen für die Fermentation wurden zahlreiche MOs von Tafeloliven, Olive mill waste water bzw. Trester isoliert und biochemisch und teilweise mit DNA-Techniken charakterisiert. Außerdem wurden Milchsäurebakterien aus der N-Zyme BioTec Stammsammlung eingesetzt. Die Fermentations-Versuche verdeutlichen, dass eine zeitnahe ökonomische Umsetzung vorerst nur mit kommerziell verfügbaren beta-Glucosidase-Formulierungen erfolgen kann. Der Arbeitschwerpunkt wurde daher im Projektvorhaben auf die enzymatische Aktivierung gelegt.
Nach Reaktionsoptimierung konnte ein enzymatisches Aktivierungsverfahren mit 2 Enzymprodukten etabliert werden mit dem es möglich war stabile Vernetzerlösungen herzustellen. Die aktivierten Olivenvernetzerformulierungen wurden für Anwendungsversuche (z. B. Brotherstellung, Wurstherstellung) herangezogen bzw. bildeten die Grundlage zur Etablierung eines Konzentrierungsverfahrens, welches Membranverfahren bzw. Adsorbertechniken mit EtOH-Elution enthält. Weiterhin wurde ein zusätzlicher Reinigungsblock (Ionentauscher und Lösungsmittelextraktion) integriert, um hochreines Oleuropein-Aglykon (OP-Agly) herzustellen, welches für biomedizinische Anwendungen geeignet ist. In Kooperationsarbeiten konnte die erfolgreiche Machbarkeit in einem Applikationsgebiet bereits gezeigt werden.
Der während des Projektvorhabens ausgearbeitete Oleuropein-Aglykon-Herstellungsprozess wurde als Grundlage zur Erstellung einer Ökoeffizienzanalyse durch die Fa. IFU-Hamburg herangezogen. Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit wurde der Olivenvernetzer-Herstellungsprozess dem von Glutaraldehyd (GA) gegenübergestellt und mehrere Szenarien durchgerechnet. Die ÖEA ergab, dass das Verfahren zur Herstellung von OP-Agly ökologisch mit der GA-Produktion konkurrieren kann. Die ÖEA verdeutlicht aber auch, dass durch Prozessoptimierungen (z. B. Reduktion von Wasser bei der Extraktion, Reduktion von Lösungsmittel, Recycling von EtOH, Nutzung alternativer Energie) nicht nur die ökologischen Daten deutlich verbessert werden können, sondern gleichzeitig zu erwarten ist, dass die ökonomische Konkurrenzfähigkeit machbar ist. Neben der Preisreduktion durch Skaleneffekte bei der angestrebten industriellen Produktion von OP-Agly ist auch zu erwarten, dass die Kosten zur Herstellung von GA steigen werden, da die Rohölpreise stetig steigen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Teile der Ergebnisse wurden auf der Biotechnika (2009 - Innovation Forum) Olé Olive - Mehrwert aus Reststoffen (ChemBioTec/DBU; N-Zyme BioTec GmbH) vorgestellt. Die Projektergebnisse der Ökoeffizienzanalyse wurden auf der Abiosus Konferenz (März 2011; IFU Hamburg GmbH) präsentiert. Im Juli werden voraussichtlich Ergebnisse aus dem Eco-X-Linking-Projekt in der Zeitschrift REVIEW 2011 veröffentlicht.


Fazit

Im Rahmen des Projektes konnte nach der Extraktion von Olivenblättern (diese fallen bei der Olivenernte als Reststoff an), nach enzymatischer Modifikation und anschließender Prozessentwicklung ein techni-sches Verfahren entwickelt werden mit dem es möglich ist OP-Agly in konzentrierter Form darzustellen. In verschiedenen orientierenden Anwendungsversuchen konnte das Potenzial des biofunktionellen Olivenvernetzer gezeigt werden, mit dem Ziel diesen zukünftig in zahlreichen Applikationen (Food, Kosme-tik, Biomedizin, etc.) einzusetzen. Für die unterschiedlichen Industrien werden strategische Partner gesucht, die Know-how zur Umsetzung des neuen Olivenvernetzers in den entsprechenden Bereichen aufweisen.
Stützend auf der Ökoeffizienzanalyse konnten Schwachstellen beim Herstellungsprozess identifiziert werden, die bei der geplanten industriellen Umsetzung zu maßgeblichen und notwendigen Kostenreduk-tionen führen sollen, um ein konkurrenzfähiges Produkt herzustellen.