Biotechnische Itaconsäureproduktion
Itaconsäure ist eine aussichtsreiche biobasierte Kunststoffvorstufe. Durch systematische Optimierungen haben wir es geschafft, die erreichten Endkonzentrationen an Itaconsäure bei der fermentativen Herstellung deutlich zu erhöhen – und das in deutlich kürzerer Zeit.
Itaconsäure findet aufgrund der besonderen Struktur als ungesättigte Dicarbonsäure Verwendung in verschiedenen Kunststoffbereichen: Bei der Herstellung von Harzen, Bindemitteln, Farben, Teppichen und Beschichtungen. Die industrielle Herstellung erfolgt auf biotechnologischen Weg mit dem filamentösen Pilzes Aspergillus terreus. In einer aeroben Kultivierung wird die Kohlenstoffquelle Zucker durch den Mikroorganismus zu Itaconsäure umgewandelt. Obwohl dieser Prozess schon über 50 Jahre lang durchgeführt wird, sind die Kosten im Vergleich zu alternativen petrochemischen Produkten noch zu hoch. Dies liegt unter anderen an zu geringen Endkonzentrationen, die bei 90 g/L lagen, und den zu geringen Produktivitäten.
In unserem Institut haben wir eine langjährige Erfahrung mit diesem Prozess. Durch die stetige Verbesserung der Prozessbedingungen und Medienzusammensetzung konnten wir eine stabile Plattform für die Itaconsäurebildung mit A. terreus entwickeln. Durch die Bildung von kleinen Pellets (Ø 0,1 mm) wird die Viskosität der Fermentationsbrühe gering gehalten, während eine Sauerstofflimitierung innerhalb der Pellets vermieden wird.
Durch geschickte Prozessoptimierung konnten wir die Itaconsäure-Endkonzentration auf inzwischen 146 g/L steigern. Dabei spielten insbesondere die Medienzusammensetzung, sowie der pH-Wert eine große Rolle. Zusammen mit der Endkonzentration konnte auch die Kultivierungsdauer auf ca. die Hälfte verkürzt werden.
Die Sporenherstellung für die Inokulation der Kultivierung durch Oberflächenkultivierung durchgeführt, was aufwendig ist und große Flächen benötigt. Es ist uns gelungen die Sporenbildung bei A. terreus in submerser Kultur auszulösen. Hierdurch ist ein einfacherer Scale-up der Sporenherstellung möglich. Außerdem zeigten die so gewonnenen Sporen eine kürzere Keimungsdauer, was sich positiv auf die Produktivität des Prozesses auswirkt.
Mit den von uns erzielten Verbesserungen einer hohen Endkonzentration, die die Isolierung der Itaconsäure einfacher und kostengünstiger macht, und einer erhöhten Produktivität, die die Fermentationszeit halbiert, besteht insgesamt gute Aussicht, dass Itaconsäure günstiger produziert werden kann und somit in ihrer Bedeutung als biobasierter Kunststoffbaustein weiter wächst.
Ansprechpartner
Dr. rer. nat. Anja Kuenz