Biotechnisch erzeugte D-Milchsäure

Hintergrund und Zielsetzung

Milchsäure ist ein wichtiger chemischer Grundbaustein, der sowohl biotechnologisch über eine Fermentation von Kohlenhydraten (Zucker, Stärke) wie auch synthetisch auf der Basis petrochemischer Rohstoffe (Acetaldehyd) erfolgen kann.  Milchsäure liegt aufgrund ihrer optischen Aktivität als D-(-)- bzw. L-(+)-Milchsäure vor. Die L-Form der Milchsäure hat in den letzten 20 Jahren als Ausgangsstoff für die Poly L-Milchsäure (poly L-lactic acid, PLLA) an Bedeutung gewonnen. Dieser Kunststoff ist ein vielversprechendes Material, aber der Erweichungspunkt ist mit 60 °C für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten zu niedrig. Der Stereokomplex hingegen aus PLLA und der poly D-Milchsäure (poly D-lactic acid, PDLA) ist von steigendem Interesse, da der Erweichungspunkt um ungefähr 50 °C höher liegt. Im Vergleich zur L-Milchsäure gewinnt zurzeit die Forschung im Bereich der D-Milchsäure deutlich an Bedeutung, da ein hoch produktives biotechnisches Herstellungsverfahren bis dato nicht etabliert ist. Daher ist das Ziel dieses Projektes ein hoch effizientes, biotechnologisches Verfahren zur Herstellung von D-Milchsäure zu etablieren. Dieses Verfahren soll auf kostengünstigen in Deutschland zur Verfügung stehenden Rohstoffen basieren und unter marktwirtschaftlichen und wettbewerblichen Aspekten durchgeführt werden, so dass biotechnisch hergestellte D-Milchsäure als Ausgangsstoff für Biokunststoffe dem Markt zur Verfügung steht.

Vorgehensweise

Das Projekt erstreckt sich ausgehend von kostengünstigen in Deutschland zur Verfügung stehenden Rohstoffen über die Biokonversion zu Enantiomeren reiner D-Milchsäure. Besonderes Augenmerk richten wir auf die umfangreiche Analyse der Substrate und insbesondere der Suppline im Hinblick auf ihre Zusammensetzung und Einfluss auf die D-Milchsäureproduktion. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen soll nach einer Prozessoptimierung mittels einer intelligenten Fermentationsstrategie hochreine D-Milchsäure kostengünstig biotechnisch hergestellt werden.

Daten und Methoden

Zurzeit ist für die biotechnische D-Milchsäureproduktion der Einsatz teurer komplexer Medienbestandteile unumgänglich. In diesem Projekt werden Hefeextrakte und Hydrolysate mit geeigneten Analysemethoden auf ihre Zusammensetzung detailliert untersucht. Nach Abschluss der Analysen wird eine Evaluierung der Ergebnisse mittels einer Clusteranalyse durchgeführt. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird in parallelen Bioreaktoren eine Prozessoptimierung durchgeführt, wobei die prozessrelevanten Parameter wie Temperatur, pH-Wert und Sauerstoffgehalt erfasst und geregelt werden.

Unsere Forschungsfragen

Im Rahmen dieses Projektes soll der Einfluss von Hefeextrakt, der derzeit einen der größten Kostenfaktoren der Fermentation darstellt, untersucht und durch kostengünstige Suppline ersetzt werden. Eine detaillierte Analyse soll zeigen, welche Bestandteile des Hefeextrakts sich hemmend oder förderlich auf den Prozess auswirken. Des Weiteren soll eine Prozessoptimierung bezüglich Medienzusammensetzung (C-Quelle, Salze, Suppline, Neutralisationsmittel, Stickstoffquellen) und physikalischer Parametern (pH, T, pO₂) durchgeführt werden, um das Verständnis der Biokonversion zu D-Milchsäure zu erhöhen.

Ergebnisse

Auf dem Gebiet der fermentativen L-Milchsäure-Herstellung gibt es zahlreiche Studien und Veröffentlichungen zu den produzierenden Stämmen sowohl in Batch, Fed-batch und insbesondere kontinuierlichen Verfahren mit hoher Zelldichte, auch unter Einsatz von Immobilisierungsmethoden.

Hingegen sind für die D-Milchsäure, trotz des steigenden Interesses an deren mikrobieller Produktion, Informationen sehr beschränkt. Es ist zu erwarten, dass innerhalb des Förderzeitraums ein hoch effizienter und leicht handhabbarer reproduzierbarer Prozess zur D-Milchsäure-Herstellung etabliert werden kann, der von hohem wissenschaftlichem Wert und industriellen Interesse sein wird. Der etablierte Prozess ermöglicht dann eine effiziente Produktion des Stereokomplexes aus PLLA und PDLA, welcher aufgrund seines höheren Erweichungspunktes weitere Anwendungsfelder als Biokunststoff unter anderem in der Automobil-, Elektro- und Haushaltsgeräte-Industrie erschließt.