Verfahrensoptimierung für die Herstellung von Cellobioselipiden aus Lignozellulose
Jährlich werden weltweit mehrere Millionen Tonnen Tenside für diverse industrielle Anwendungsbereiche produziert. Mikrobielle Biotenside, die auf natürlicher Weise von Mikroorganismen produziert werden, stellen eine nachhaltige, biologisch abbaubare und ökologisch unbedenkliche Alternative zu den chemisch hergestellten Tensiden auf Basis fossiler Rohstoffe. In den letzten Jahren haben sich daher mehrere Forschungsarbeiten der Identifikation geeigneter Mikroorganismen, die Biotenside mit großem Nutzungspotential produzieren, gewidmet. Vielversprechend aufgrund des breiten Anwendungsspektrums, u.a. als nachhaltiger Ersatz zu petrochemischen Tensiden in der Kosmetik- und Pharmaindustrie, hat sich das durch den Pilz Ustilago maydis produzierte Glykolipid Cellobioselipid erwiesen. Bislang hat die Produktion allerdings aufgrund zu geringer Raum-Zeit-Ausbeute und Produktivität, die Marktreife noch nicht erreicht.
Ziel dieser Arbeit ist daher, die verfahrenstechnische Modellierung und Optimierung der Herstellung von Cellobioselipiden mit Ustilago maydis auf 100 %-iger Basis von nachwachsenden Rohstoffen. Die Arbeiten zielen auf einen umweltverträglichen Prozess ab. Mithilfe der Techno-Ökonomischen Bewertung, einer Lebenszyklusanalyse, sowie einer kinetischen Modellierung der Fermentationsprozesse soll ein Optimum hinsichtlich minimalem Energie-, Zeit- und Ressourcenverbrauch bei zugleich hoher Produktausbeute und hohem Reinheitsgrad erzielt werden. Zudem werden bestehende Aufarbeitungsverfahren optimiert und alternative, integrierte Reaktorkonzepte untersucht. Hierfür wird z.B. eine Immobilisierung von Mikroorganismen auf Festkörpern, ähnlich wie sie bei der Abwasserreinigung verwendet wird, untersucht. Dies hat das Potential, die aufwendige Trennung von Biomasse und Biotensid wesentlich zu vereinfachen und den gesamten Herstellungsprozess bis zur Hälfte Kosten-effizienter zu gestalten.
Um bei den zu verwendenden Rohstoffen eine Konkurrenz mit der Lebensmittelindustrie zu umgehen, sollen Abfallstoffe der Agrarwirtschaft als Substrat für die mikrobielle Synthese genutzt werden. Hierfür wurden Weizen- sowie Reisstroh als zwei vielversprechende Kandidaten identifiziert. Beide fallen weltweit Tonnenweise als Abfallstoff des Nahrungsmittelanbaus an und haben großes Wertschöpfungspotential.
Im ersten Abschnitt der Arbeit wird, wie im Großteil der vorhandenen Literatur, mit Glukose fermentiert, um vorhandene Herstellungsprozesse zu optimieren. Für die Etablierung eines Lignozellulose basierten Biotensidherstellungsprozesses werden dann Zuckerfraktionen aus Weizen- und Reisstroh hergestellt und für die Biotensidherstellung verwendet.