Itaconsäure für Polyester

Hintergrund und Zielsetzung

In diesem ERA-IB-Projekt wollen wir in Zusammenarbeit mit anderen europäischen Partnern Prozesse zur Herstellung biobasierter Polyesterbausteine am Beispiel von Itaconsäure, modifizierter Itaconsäure und Milchsäure entwickeln. Organische Säuren für die Polyestersynthese aus nachwachsenden Rohstoffen zu gewinnen, speziell aus ligninarmen agrarischen Reststoffen, zum Beispiel Kaff (Spreu) oder Orangenschalen, vermeidet die Konkurrenz mit der Lebensmittelindustrie. Diese Reststoffe werden zunächst zu fermentierbaren Kohlenhydraten hydrolysiert. Wir wollen neben Untersuchungen und Optimierung der  Vorbehandlungs- und Hydrolysebedingungen, auch speziell entwickelte Enzyme des Partners ASA-Spezialenzyme einsetzen. Die aus der Hydrolyse gewonnenen fermentierbaren Zucker werden anschließend biotechnologisch zu Itaconsäure umgewandelt. Kernpunkt dieser Konversion ist, verschiedene Mikroorganismen zu untersuchen, sie zu beurteilen und die Reaktionsbedingungen hinsichtlich der Itaconsäureproduktion zu optimieren. Itaconsäure selbst ist bereits ein wertvoller Baustein für die Herstellung von Polyestern.  Die Funktionalität der Monomere kann durch gezielte katalytische Veränderung der Itaconsäure noch variiert werden. Damit wollen wir verschiedene Monomere mit unterschiedlichen Eigenschaften  herstellen, mit denen ein breiteres Spektrum an Polyestereigenschaften eingestellt und die Anwendungsbreite dieser Polyester vergrößert werden soll. Zur katalytischen Veränderung der Itaconsäure untersuchen wir Reaktionen wie zum Beispiel Hydrierung und Epoxidierung.

Vorgehensweise

Das Projekt gliedert sich in mehrere Teilaufgaben mit unterschiedlichen Fragestellungen.

Im ersten Teilbereich werden verschiedene Vorbehandlungs- und Hydrolysemethoden hinsichtlich der Rohstoffe kombiniert und optimiert, um eine möglichst hohe Zuckerkonzentration zu erzielen – die Voraussetzung für eine effiziente Biokonversion. Im zweiten Bereich der Biokonversion werden bekannte Mikroorganismen hinsichtlich der Itaconsäureproduktion und der Rohstoffverträglichkeit optimiert. Im dritten Teilbereich wird die Itaconsäure katalytisch in unterschiedliche Produkte umgewandelt, die für die Polyestersynthese genutzt werden können.

Alle im Projekt bearbeiteten Verfahren und Reaktionen optimieren wir hinsichtlich der Bedingungen und Produktausbeuten.

Ergebnisse

Hinsichtlich ihrer Zuckerzusammensetzung haben wir unterschiedlichste agrarische Rest- und Rohstoffe untersucht und charakterisiert. Dabei zeigte sich, dass die Vorbehandlung der Stoffe einen Einfluss auf die zu erwartenden Zuckerkonzentrationen hat. Es ist sehr wahrscheinlich, dass eine verbesserte Vorbehandlung der Reststoffe für die anschließende Hydrolyse zu erhöhten Zucker-Endkonzentrationen führt.

Verschiedene Hefen (u.a. Pseudozyma, Candida und Ustilago) und filamentöse Pilze wie Aspergillus terreus haben wir hinsichtlich ihrer Itaconsäureproduktion auf Glucose und ihres Spektrums an Nebenprodukten untersucht. Diese Mikroorganismen zeigten ein Wachstum auf den alternativen Substraten. Es ist davon auszugehen, dass durch die Optimierung der Fermentationsparameter Hydrolysate von Kaff und Orangenschalen zur Itaconsäureproduktion genutzt werden können.

Die Hydrierung von Itaconsäure zum Produkt Methylbernsteinsäure konnten wir mit heterogenen Edelmetallkatalysatoren bereits erfolgreich durchführen. Hierbei wurde nach kurzer Reaktionsdauer ein vollständiger Umsatz und vollständige Selektivität erreicht. Derzeit konzentrieren sich die Arbeiten auf die Optimierung der Epoxidierung von Itaconsäure.