Fumarsäure für Polymere

Hintergrund und Zielsetzung

Fumarsäure ist eine ungesättigte Dicarbonsäure, die zurzeit ausschließlich petrochemisch aus fossilen Rohstoffen hergestellt wird. Sie wird in verschiedenen Industriebereichen (50 % Polymerindustrie, 33 % Lebensmittelindustrie, 17 % Futtermittel und pharmazeutische Industrie) verwendet.

Der Ersatz petrochemisch hergestellter Fumarsäure durch biobasierte Fumarsäure, die fermentativ durch die Kultivierung von Pilzen (insbesondere Rhizopus spp.) aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden kann, ist in allen industriellen Anwendungen von großem Interesse. Auf diese Weise kann die aktuelle Klimabilanz der Produkte verbessert, die Verbraucherakzeptanz erhöht und ein Beitrag zum Übergang zu einer bio-basierten Wirtschaft geleistet werden.

Die biotechnologische Produktion von Fumarsäure ist jedoch immer noch ineffektiv im Vergleich zu industriellen Fermentationsprozessen anderer organischer Säuren, wie Zitronen-, Milch-, Bernstein- oder Itaconsäure. Daher wollen wir in diesem ERA-IB-Verbundprojekt mit unseren deutschen, spanischen und türkischen Partnern einen effizienten und wirtschaftlichen Biokonversionsprozess für Fumarsäure aus nachwachsenden Rohstoffen entwickeln.

Vorgehensweise

Als primäre Substrate für die Produktion von Fumarsäure verwenden das Thünen-Institut die agrarischen Reststoffe Apfeltrester (der feste Rückstand, der bei der Herstellung von Apfelsaft anfällt) und die spanischen Partnern Orangenschalen. Zum Vergleich wird auch reine Glucose verwendet. Um die Reststoffe nutzen zu können, müssen diese zunächst aufgeschlossen und hydrolysiert, d.h. verzuckert, werden. Dafür entwickelt unser Projektpartner ASA Spezialenzyme GmbH neue Enzyme, die für die Verzuckerung dieser speziellen Reststoffe besonders geeignet sind.

Zur eigentlichen Herstellung von Fumarsäure können zwei verschiedene Fermentationsvarianten verwendet werden: die separate Hydrolyse und Fermentation und die simultane Verzuckerung und Fermentation. Beide Varianten werden mit Mikroorganismen getestet und verglichen, die zuvor eine hohe Toleranz gegenüber dem Substrat und geringe Produkthemmung aufwiesen. Für die vielversprechendste Variante soll die Produktionsleistung hinsichtlich Ausbeute und Produktivität durch intelligente und innovative Prozesssteuerung weiter gesteigert werden.

Weiterhin erforschen wir neue effiziente Wege für die Aufreinigung der Fumarsäure aus der Fermentationsbrühe und untersuchen ihre Eignung für Polymersynthesen. Unser türkischer Partner Ekodenge analysiert die im Projekt untersuchten Wertschöpfungsketten mittels Life Cycle Assessment (LCA) auf ihre Nachhaltigkeit.

Ergebnisse

Es wurde ein effizienter biokatalytischer Weg zur Herstellung von Fumarsäure für Anwendungen in biobasierten Polymeren etabliert. Für die Biokonversion wurden Mikroorganismen mit einer hohen Toleranz gegenüber den Substraten Apfeltrester und Glucose gescreent, die ein hohes Potenzial bezüglich der Produktion von Fumarsäure aufweisen. Intelligente und innovative Prozesssteuerung ermöglichte hierbei eine Steigerung der Produktionsleistung hinsichtlich Ausbeute und Produktivität. Außerdem wurde ein effizienter Weg für die Aufreinigung der Fumarsäure aus der Fermentationsbrühe entwickelt.

Auf Basis von Apfeltrester wurde eine effiziente Prozessstrategie entwickelt und die erhaltene zuckerhaltige Flüssigkeit konnte mit dem Stamm R. arrhizus NRRL 1526 zu 79,3 g/L Fumarsäure, bei einer Ausbeute von 0,54 g/g und einer Gesamtproduktivität von 0,27 g/(L∙h) umgesetzt werden.

Zur Optimierung der fermentativen Produktion von Fumarsäure mittels R. arrhizus NRRL 1526 wurde Glucose als Kohlenstoff- und Energiequelle verwendet. Neben hoher Reproduzierbarkeit, Verständnis des Konversionsprozesses wurde vor allem mit der hohen erreichten Endkonzentrationen von 195 g/L Fumarsäure im Vergleich zur Literatur der Titer um 44,4 % gesteigert. Weiterhin wurde erfolgreich ein neuer Stamm (SN5) isoliert, der in ersten Versuchen bereits bis zu 93,5 g/L Fumarsäure bildet und auch in der Lage ist Apfeltrester als Substrat zu verwerten. Durch Ausfällreaktionen bei ausreichender Zugabe an HCl und NaOH wurde ein Verfahren der Aufreinigung von der Fumarsäure entwickelt, wodurch hohe Ausbeuten sowie eine Reinheit von über 98 % erreicht wurden.